Способ очистки природных вод от фенола и метилэтилкетона Российский патент 2025 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к области очистки природных вод высоковольтными разрядами и может быть использовано в качестве способа для снижения концентрации фенола и метиэтилкетона в воде.

Известна группа электрохимических способов очистки вод от органических соединений, общим признаком которых является использование импульсного высоковольтного электрического разряда непосредственно в воде. Процесс осуществляется при электрическом пробое жидкости при определенном режиме ввода энергии (А.С. СССР №259711, опубл. 20.03.1973). При этом импульсный высоковольтный разряд может быть свободным, капиллярным или барьерным [1].

Недостатками этой группы способов являются сложность в технической реализации способа, высокая потеря энергии за счет несогласованности внешней цепи питания и разрядной нагрузки, потери энергии на образование газовой фазы (кавитационной) из жидкой фазы, ограниченный объем обработки, что связано с контракцией разрядного канала, что снижает эффективность очистки.

Известен способ очистки сточных вод от органических соединений (А.С. СССР №514548, опубл. 25.06.1977), заключающийся в воздействии на очищаемые стоки импульсными высоковольтными электрическими разрядами. Он обеспечивает более равномерную обработку воды, но поскольку вода, содержащая загрязнитель, не является оптимальным диэлектриком для применяемого скользящего разряда, это существенно увеличивает энергозатраты на окисление органических загрязнителей.

Общим недостатком известных технических решений является эрозия электродов, что повышает эксплуатационные затраты установок.

Известна группа электрохимических способов очистки вод от органических соединений, общим признаком которых является использование импульсного высоковольтного электрического разряда, причем электрическое поле направлено не вдоль поверхности воды как в (Патент RU №2108977, опубл. 20.04.1998), а перпендикулярно, так, что разряд замыкается на поверхность воды. Это позволяет исключить потери энергии, связанные с утечками тока через проводящую воду, неизбежные в случае применения скользящего разряда вдоль поверхности воды. В качестве импульсного высоковольтного разряда часто применяют коронный разряд.

Наиболее близким по технической сути (прототип) является способ обеззараживания жидкости (АС СССР №1011545, опубл. 15.04.1983), включающий обработку воды высоковольтным импульсным разрядом, создаваемым над ее поверхностью, с использованием в качестве одного из электродов поверхностного слоя жидкости, причем процесс осуществляют при амплитуде импульсов напряжения 100-500 кВ и воздействуют на тонкий слой жидкости 1-5 мм.

Недостатком способа является сложность в технической реализации способа, что обусловлено использованием импульсов напряжения в сотни киловольт. Это же приводит к потерям энергии за счет несогласованности внешней цепи питания и разрядной нагрузки, увеличивает степень уноса очищаемой жидкости в атмосферу при ее перегреве, увеличивает скорость эрозии электродов, что увеличивает эксплуатационные затраты.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в создании способа очистки вод, так как проблема накопления данных загрязнителей в природных водоемах на сегодняшний день является актуальной, что предполагает обеспечение оптимального энерговклада в жидкость, упрощение процедуры обработки и сокращение эксплуатационных затрат.

Задачей настоящего изобретения является создание нового способа эффективного разложения фенола и метилэтилкетона в природных водах и упрощение процесса, устраняющего недостатки известных технических решений.

Для решения новой технической задачи способ очистки природных вод от фенола и метилэтилкетона включает обработку природной воды высоковольтным импульсным разрядом, создаваемым над ее поверхностью. В качестве одного из электродов используют поверхностный слой воды. Высоковольтный импульсный разряд инициируется импульсами с фронтом 0.1 < τ < 10 нс при средней мощности возбуждения 1 < Р < 10 Вт для одного разрядного промежутка объемом до 1 см³.

Способ очистки природных вод от фенола и метилэтилкетона осуществляется следующим образом.

На образец воды, содержащей загрязнитель (фенол или метилэтилкетон), действуют высоковольтным импульсным разрядом, который зажигается между высоковольтным электродом и поверхностным слоем воды. Высоковольтный импульсный разряд инициируется импульсами с фронтом 0.1 < τ < 10 нс при средней мощности возбуждения 1 < Р < 10 Вт. В указанном диапазоне параметров обеспечивается формирование диффузного разряда над поверхностью воды, который развивается также в радиальном направлении вдоль ее поверхности, что в свою очередь обеспечивает наибольшую площадь контакта плазмы разряда с водным раствором, при этом плазма остается холодной. Это обеспечивает наиболее эффективную утилизацию энергии в разложение загрязнителя.

Когда высоковольтный импульсный разряд инициируется импульсами с фронтом 0.1 < τ < 10 нс при средней мощности возбуждения 1 < Р < 10 Вт, энергии достаточно для формирования частиц плазмы, вызывающих разложение загрязнителя в воде. Умеренные энерговклады позволяют уменьшить эрозию электродов, что упрощает требования к эксплуатации установки и снижает эксплуатационные затраты. Кроме того, в указанном диапазоне величин фронта и средней мощности процесс обработки не требует учета свойств жидкости с загрязнителем (как в случае скользящего разряда (АС СССР №514548, опубл. 25.06.1977)) и повышенных энерговкладов для обеспечения разложения загрязнителя, что упрощает техническую реализацию способа. Все сказанное остается в силе, если разрядный промежуток выбирается таким образом, чтобы объем, занимаемый разрядом, не превышал 1 см³. Можно технически просто реализовать вышеобозначенные условия, выбирая частоту следования импульсов напряжения и их количество при указанном объеме.

Использование импульсов напряжения с параметрами τ < 1 нс при средней мощности возбуждения Р < 1 Вт делает процесс разложения органического загрязнителя неэффективным - недостаточно энергии для формирования частиц плазмы, вызывающих разложение загрязнителя в жидкость.

Если же повысить среднюю мощность до нескольких Ватт и выше, то установка для обеспечения такого режима станет сложной как в реализации, так и в эксплуатации.

Использование импульсов напряжения с параметрами τ > 10 нс при средней мощности возбуждения Р > 10 Вт приводит к перегреву разрядного канала, ускорению эрозии электродов и тепловому выносу воды из разрядного промежутка, что требует дополнительных эксплуатационных затрат на удержание воды в области разряда и повышенного энергопотребления для осуществления процесса.

Все это служит обоснованием для выбора параметров τ и Р в указанном диапазоне величин в разрядном промежутке объемом до 1 см³.

Примеры реализации способа

Брали природную воду с растворенными в ней загрязнителями - фенолом или метилэтилкетоном. Фенолсодержащие воды образуются на предприятиях целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей, пищевой промышленности, химических, коксохимических, нефтехимических производств и др. Также загрязнение фенолами происходит при производстве и использовании удобрений, пестицидов, лаков и красок, а также фармацевтических препаратов. Метилэтилкетон также является распространенным загрязнителем подземных вод. Он содержится в отходах производств синтетического каучука, ионообменных смол, лекарственных препаратов, фотоматериалов, в сточных водах нефтехимических, лесохимических и парфюмерных предприятий. Поэтому проблема накопления данных загрязнителей в природных водоемах на сегодняшний день является актуальной [2].

Были приготовлены растворы фенола в родниковой воде с концентрацией 17.5 мг/л и 8.75 мг/л, а также метилэтилкетона с концентрацией 99.6 мг/л. Растворы помещались в разрядную ячейку и подвергались воздействию плазмы высоковольтного импульсного разряда, формируемого над их поверхностью. Параметры импульсов напряжения при обработке составляли τ ~ 2 нс, Р = 2.6 Вт для разрядного промежутка объемом 1 см³.

Результаты измерений концентрации продуктов разложения по данному способу даны в таблице 1.

В процессе обработки водного раствора фенола, плазма разряда, достигнув поверхности раствора развивалась в радиальном направлении. В ходе обработки в выбранном нами диапазоне параметров импульсов напряжения и средней мощности, разряд занимает максимум объема разрядного промежутка, температура раствора после обработки не изменялась, составляя 25±5°С (измерялась пирометром), поскольку энерговклад был умеренным, составляя 2.6 Вт. При этом достигается высокая степень разложения фенола - 92%. Удалось также удалить побочный продукт разложения фенола - нитрофенол. В указанном диапазоне величин фронта и средней мощности процесс обработки не требовал учета свойств жидкости с загрязнителем и повышенных энерговкладов для обеспечения разложения загрязнителя. Реализация такого режима обработки была проведена на частоте следования импульсов 100 Гц, что технически просто реализовать. Таким образом, процесс очистки по сравнению с прототипом и аналогами был проще, а эксплуатационные расходы минимизированы за счет выбора оптимального энерговклада в раствор с фенолом.

В процессе обработки импульсным высоковольтным разрядом с указанными параметрами водного раствора метилэтилкетона также было достигнуто эффективное разложение загрязнителя - 94% и аналогичные преимущества, упрощающие процедуру обработки по сравнению с аналогами и прототипом. Умеренная средняя мощность не приводила к уносу жидкости в атмосферу от нагрева и снижала требование к ресурсу электродов и, соответственно, затраты на обеспечение процесса.

При сохранении величины τ, но уменьшении энерговклада на порядок, степень разложения фенола и метилэтилкетона падала, не превышая 30%. Аналогично, интенсификация процесса обработки водных раствора фенола и метилэтилкетона посредством увеличения энерговклада на порядок по сравнению с заявленным диапазоном снижала степень разложения фенола до 32% и метилэтилкетона до 15%, а температура водного раствора увеличивалась до 50°С, что приводило к потерям обрабатываемой жидкости, загрязнению разрядной ячейки и требовало дополнительных эксплуатационных мер по ее очистке. Это доказывает необходимость использования умеренной средней мощности обработки (1 < Р < 10 Вт).

Таким образом, предложенный способ очистки природных вод обеспечивает эффективное разложение фенола и метилфенола в природной воде, упрощает процесс очистки и снижает эксплуатационные затраты, что обеспечивается выбранным нами диапазоном параметров высоковольтных импульсов, обеспечивающим оптимальный энерговклад в заданный объем.

Источники информации

1. Bruggeman P.J., Locke B.R. Assessment of potential applications of plasma with liquid water // In «Low Temperature Plasma Technology-Methods and Applications» / P.K. Chu and L. XinPei (Eds.). Boca Raton, FL: CRC Press, 2014. P. 367-399.

2. Савостикова O.H., Мамонов P.А., Тюрина И.А., Алексеева А.В., Николаева Н.И. Ксенобиотики и продукты их трансформации в сточных водах (обзор литературы) // Гигиена и санитария. 2021. Т. 100. №11. С. 1218-1223.

Изобретение относится к области очистки природных вод высоковольтными разрядами и может быть использовано в качестве способа для снижения концентрации фенола и метилэтилкетона в воде. Способ очистки природных вод от фенола и метилэтилкетона включает обработку воды высоковольтным импульсным разрядом, создаваемым над ее поверхностью, с использованием в качестве одного из электродов поверхностного слоя жидкости. Высоковольтный импульсный разряд инициируется импульсами с фронтом 0,1 < τ < 10 нс при средней мощности возбуждения 1 < Р < 10 Вт для одного разрядного промежутка объемом до 1 см³. Технический результат: эффективное разложение фенола и метилэтилкетона в природной воде, упрощение процесса очистки. 1 табл.

Способ очистки природных вод от фенола и метилэтилкетона, включающий обработку воды высоковольтным импульсным разрядом, создаваемым над ее поверхностью, с использованием в качестве одного из электродов поверхностного слоя жидкости, отличающийся тем, что высоковольтный импульсный разряд инициируется импульсами с фронтом 0,1 < τ < 10 нс при средней мощности возбуждения 1 < Р < 10 Вт для одного разрядного промежутка объемом до 1 см³.