СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК C02F1/78 B01D61/00 

Изобретение относится к способам очистки воды от растворенных органических веществ и может быть использовано для очистки природных и сточных вод.

Известен способ очистки воды от растворенных органических веществ, включающий приведение раствора в контакт с полупроводниковым фотокатализатором, облучение их ультрафиолетом в течение времени, достаточного для разрушения примесей, и отделение очищенной воды от фотокатализатора мембранной фильтрацией, отличающийся тем, что все три стадии осуществляются одновременно путем фильтрации через пористую мембрану из полупроводникового материала на основе TiO₂, CdS, SrTiO₃, Fe₂O₃, являющуюся фотокатализатором, при одновременном облучении мембраны ультрафиолетом в присутствии избытка окислительного агента (патент РФ №2117517, опубл. 20.08.1998 г.). Введение кислорода или озона осуществляется через газопроницаемую водонепроницаемую мембрану.

Однако данный способ является трудоемким, так как требует:

- наличия мощных источников ультрафиолетового облучения,

- сложных высоконапорных генераторов кислорода и/или озона,

- дополнительных водонепроницаемых мембран для подвода газа, что, в свою очередь, ведет к усложнению и удорожанию процесса очистки воды.

Кроме этого, данный способ

- имеет ограничения по максимальной исходной концентрации загрязняющих органических веществ в обрабатываемой воде;

- требует наличия избытка окислителей для предотвращения отравления катализатора мембран и/или снижения их каталитической активности.

Известен способ очистки воды от растворенных органических веществ (патент RU 2502682 от 27.12.2013), включающий каталитическое окисление компонентов водного раствора в мембранном реакторе в присутствии растворенных газов-окислителей, где обрабатываемый раствор перед мембранным реактором предварительно выдерживают в сатураторе под рабочим давлением трансмембранного фильтрования до полного газонасыщения раствора, а в качестве катализаторов могут быть использованы каталитически активные мембраны, растворенные гомогенные катализаторы и/или дисперсии гетерогенных катализаторов.

Недостатком способа являются большие энергозатраты, значительный расход озона и сложность регулирования процессов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ очистки воды каталитическим окислением и устройство для его осуществления (Фаттахова A.M. Совершенствование окислительных методов очистки сточных вод полигонов захоронения отходов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. С. 93; http://samgasu.ru/Ouruniversity/News/DnnArticleView_News_Root/tabid/439/smid/767/ArticleID/2317/reftab/1022/Default.aspx).

Способ включает обработку воды в устройстве, содержащем сырьевую емкость, заполняемую очищаемой от загрязняемых примесей водой, сатуратор с встроенными теплообменником и кранами-газоотводчиками, соединенными с деструктором остаточного озона, мембранный блок и насосы. Согласно известному способу исходная вода из сырьевой емкости с помощью насоса-дозатора подается в сатуратор. Туда же подается озонокислородная смесь из эжектора, работающего от другого насоса, всасывающий трубопровод которого соединен с сатуратором, образуя замкнутый цикл. Третий насос подает газонасыщенную реакционную смесь из сатуратора в мембранный блок, концентрат из которого подается обратно в сатуратор, перед которым на линии концентрата установлено редукционное устройство (вентиль). По линии фильтрата мембранного блока отводится очищенная вода.

Недостатком способа являются неэффективное использование энергии обрабатываемой воды, подаваемой в мембранный блок, связанное с бесполезными потерями энергии в редукционном устройстве, невысокая степень очистки воды и связанное с этим неэффективное использование озона, а также высокая сложность управления процессом, связанная с регулировкой напорно-расходных характеристик мембранного реактора редукционным клапаном (вентилем).

Задачей изобретения является разработка способа очистки воды каталитическим окислением с достижением следующего технического результата: повышение эффективности использования энергии и озона, более высокая степень окисления ингредиентов обрабатываемой воды и упрощение управления процессом.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки воды, включающем полное предварительное насыщение обрабатываемого раствора газами-окислителями, каталитическое окисление компонентов водного раствора в мембранном реакторе в присутствии гомогенных и/или гетерогенных катализаторов, согласно изобретению поток концентрата на выходе из мембранного реактора в сатуратор стабилизируют по расходу.

Дополнительными технологическими приемами являются охлаждение реакционной смеси, создание переменного электрического поля и ведение процесса в электрическом поле.

В части устройства для очистки воды поставленная задача решается тем, что в устройство для осуществления способа очистки воды, содержащее сырьевую емкость с исходной водой, генератор озона, эжектор, сатуратор со встроенным теплообменником и кранами-газоотводчиками, мембранный каталитический реактор и насосы, согласно изобретению на линии концентрата, выходящей из мембранного каталитического реактора в сатуратор, установлен стабилизатор расхода.

При этом стабилизатор расхода может быть выполнен в виде подвижных на патрубке со штуцером металлических дисков, контактирующих друг с другом и образующих между собой полость в виде кругового канала, причем материал дисков выбирают таким образом, что диски стабилизатора расхода образуют в обрабатываемой жидкости гальванические пары. Кроме того, стабилизатор расхода может быть выполнен в виде сопла Вентури с асимметричной дроссельной иглой.

На фиг. 1 показано устройство для осуществления способа очистки воды, на фиг. 2 и 3 показаны схемы стабилизаторов расхода.

Устройство для осуществления способа очистки воды содержит сырьевую емкость 1, насос-дозатор 2, сатуратор 3, теплообменник 4, краны-газоотводчики 5, мембранный реактор 6, насос 7, эжектор 8, генератор озона 9, насос 10, емкость 11, деструктор остаточного озона 12, стабилизатор расхода 13.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом.

Обрабатываемая вода из сырьевой емкости 1 насосом-дозатором 2 подается в сатуратор 3 до определенного уровня и давления. После этого в сатуратор 3 подается с помощью насоса 7, генератора озона 9 и эжектора 8 озонокислородная смесь. Для поддержания определенного уровня жидкости в сатураторе используются краны-газоотводчики 5. Полученная в сатураторе 3 реакционная газонасыщенная смесь насосом 10 подается в мембранный реактор 6. Из мембранного реактора 6 фильтрат отводится в емкость 11, а концентрат - в стабилизатор расхода 13. Температура реакционной смеси поддерживается на необходимом уровне теплообменником 4, помещенным в сатуратор 3. С помощью насоса-дозатора 2 имеется возможность подавать растворенные и (или) диспергированные катализаторы. Отработанные газы отводятся через краны-газоотводчики 5, соединенные с деструктором остаточного озона 12.

Стабилизатор расхода может быть выполнен в виде сопла Вентури с ассиметричной дроссельной иглой (фиг. 2).

Концентрат из мембранного реактора подается в сопло Вентури 14. Введением асимметричной дроссельной иглы 15 в сопло Вентури 14 можно управлять необходимыми напорно-расходными параметрами процесса.

Стабилизатор расхода может быть выполнен в виде подвижных на патрубке 16 со штуцером 17 парных металлических дисков 18, контактирующих друг с другом и образующих между собой полость в виде кругового канала (фиг. 3). Причем материал парных дисков может быть различным по электрохимическому потенциалу и образовывать за счет этого гальванические пары в обрабатываемой жидкости.

Концентрат из мембранного реактора подается в патрубок 16 со штуцером 17 к дискам 18. Диски 18 имеют возможность свободно перемещаться друг относительно друга вдоль трубы от энергии потока концентрата. Жидкость, попадая в сужение между дисками 18, образует между ними зазор 19. При этом поток жидкости в зазоре приобретает большую скорость, вследствие чего давление ее понижается и зазор 19 автоматически уменьшается. Сопротивление движению жидкости в зазоре 19 после этого усиливается и скорость движения жидкости начинает уменьшаться. Таким образом стабилизируется расход жидкости. При этом возникают вибрация дисков и переменная напряженность электрического поля, если диски образуют гальванические пары. Необходимые напорно-расходные характеристики процесса устанавливаются количеством размещенных на штуцере парных дисков.

Эффективность использования энергии, озона и более высокая степень деструкции окисляемых в воде веществ по сравнению с ближайшим аналогом достигается за счет утилизации избыточного давления стабилизатором расхода. Причем положительный эффект усиливается в возбуждаемом электрическом поле переменной напряженности, создаваемом гальванической парой стабилизатора расхода. Осуществление предлагаемого способа при низких температурах обрабатываемой воды также способствует снижению энергозатрат.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Исследовалась очистка фенолсодержащих сточных вод со следующим составом: фенол - 1,5 мг/дм³, ХПК (химическое потребление кислорода - бихроматная окисляемость) - 6560 мгО₂/дм³, БПКп (полное биохимическое потребление кислорода) - 3250 мгО₂/дм³, взвешенные вещества - 3 мг/дм³, окислитель - озонокислородная смесь - 20 мгО₃/дм³. Сточные воды обрабатывались способом, принятым за прототип.

Обрабатываемая жидкость подавалась в мембранный реактор с каталитически активными мембранами через сатуратор. Давление в мембранном реакторе составляло 0,6 МПа. На линии концентрата было установлено редукционное устройство (вентиль). В процессе исследований изменялась температура реакционной смеси. Эффективность окисления сточных вод оценивалась по ХПК. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Пример 2. Исследовалась очистка фенолсодержащих сточных вод со следующим составом: фенол - 1,5 мг/дм³, ХПК (химическое потребление кислорода - бихроматная окисляемость) - 6560 мгО₂/дм³, БПКп (полное биохимическое потребление кислорода) - 3250 мгО₂/дм³, взвешенные вещества - 3 мг/дм³, окислитель - озонокислородная смесь - 20 мгО₃/дм³. Сточные воды обрабатывались следующим способом.

Обрабатываемая жидкость подавалась в мембранный реактор с каталитически активными мембранами через сатуратор. На линии концентрата был установлен стабилизатор расхода в виде сопла Вентури с ассиметричной дроссельной иглой. Давление в мембранном реакторе составляло 0,6 МПа. В процессе исследований изменялась температура реакционной смеси. Эффективность окисления сточных вод оценивалась по ХПК. Результаты исследований приведены в таблице 2.

Пример 3. Исследовалась очистка фенолсодержащих сточных вод со следующим составом: фенол - 1,5 мг/дм³, ХПК (химическое потребление кислорода - бихроматная окисляемость) - 6560 мгО₂/дм³, БПКп (полное биохимическое потребление кислорода) - 3250 мгО₂/дм³, взвешенные вещества - 3 мг/дм³, окислитель - озоно-кислородная смесь - 20 мгО₃/дм³. Сточные воды обрабатывались следующим способом.

Обрабатываемая жидкость подавалась в мембранный реактор с каталитически активными мембранами через сатуратор. На линии концентрата был установлен дисковый стабилизатор расхода. Давление в мембранном реакторе составляло 0,6 МПа. В процессе исследований изменялась температура реакционной смеси и материал дисков. Эффективность окисления сточных вод оценивалась по ХПК. Результаты исследований приведены в таблице 3.

Результаты исследований, описанные в примерах 2 и 3, свидетельствуют о том, что стабилизация потока концентрата позволяет достичь более глубокой степени очистки сточных вод по ХПК по сравнению с прототипом, описанным в примере 1. Дополнительными технологическими приемами являются охлаждение реакционной смеси (примеры 2 и 3) и ведение процесса в электрическом поле, созданном за счет применения при изготовлении дисков металлов, образующих гальванические пары в обрабатываемой жидкости (пример 3). Охлаждение реакционной смеси в примере 1 (по прототипу) наоборот ухудшает эффективность очистки в отличие от примеров 2 и 3. Материалы дисков, описанные в примере 3, имеют различные электрохимические потенциалы и, соответственно, создают различную напряженность электрического поля в обрабатываемой жидкости, которая в свою очередь оказывает влияние на глубину очистки сточных вод.

Предлагаемый способ очистки воды найдет свое применение при очистке природных и сточных вод.

Изобретение относится к способам очистки воды от растворенных органических веществ и может быть использовано для очистки природных и сточных вод. Способ включает предварительное полное газонасыщение обрабатываемой воды газами-окислителями и каталитическое окисление компонентов водного раствора в мембранном реакторе. Причем обрабатываемый раствор охлаждают, а расход концентрата, направляемый после мембранного реактора в сатуратор, стабилизируют и подвергают воздействию возбуждаемого при этом переменного электрического поля. Устройство для осуществления способа содержит сырьевую емкость с исходной водой, генератор озона, эжектор, сатуратор со встроенным теплообменником и кранами-газоотводчиками, мембранный реактор и насосы, причем на линии концентрата, выходящей из мембранного реактора в сатуратор, установлен стабилизатор расхода в виде сопла Вентури с асимметричной дроссельной иглой или в виде подвижных на патрубке со штуцером металлических дисков, контактирующих друг с другом и образующих между собой полость в виде кругового канала и гальваническую пару. Технический результат - эффективное использование энергии и озона, повышение степени окисления органических веществ в обработанной воде, а также упрощение управлением процессом. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 3 пр.

1. Способ очистки воды, включающий предварительное полное газонасыщение обрабатываемой воды газами-окислителями в сатураторе и каталитическое окисление компонентов водного раствора в мембранном реакторе в присутствии гомогенных и/или гетерогенных катализаторов, отличающийся тем, что поток концентрата на выходе из мембранного реактора в сатуратор стабилизируют по расходу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обрабатываемый раствор охлаждают.

3. Способ по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что в процессе стабилизации расхода концентрата создают переменное электрическое поле.

4. Устройство для осуществления способа очистки воды, содержащее сырьевую емкость с исходной водой, генератор озона, эжектор, сатуратор со встроенным теплообменником и кранами-газоотводчиками, мембранный каталитический реактор и насосы, отличающееся тем, что на линии концентрата, выходящей из мембранного каталитического реактора в сатуратор, установлен стабилизатор расхода.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что стабилизатор расхода выполнен в виде подвижных на патрубке со штуцером металлических дисков, контактирующих друг с другом и образующих между собой полость в виде кругового канала.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что материал дисков выбирают таким образом, что диски стабилизатора расхода образуют в обрабатываемой жидкости гальванические пары.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что стабилизатор расхода выполнен в виде сопла Вентури с асимметричной дроссельной иглой.