Технологія очищення води c допомогою плазмової обробки

1. теплота
2. Особливості електророзрядної очищення
3. Малозатратна переробка промислових і побутових стічних вод
4. Безреагентне осадження іонів кальцію в жорсткій воді розрядом плазми
5. Витяг радіонуклідів з водних розчинів
6. Плазмохимическая конверсія осадів стічних вод в добриво
7. Очищення води від забруднення є мікрокількості
8. Ефект актівації води
9. Перспективи плазмової водоочищення
10. Вас может зацікавити:

д. т. н. Ю. Забулонов, д. Т. Н. С. Петров

Інноваційна технологія плазмохимической обробки водних розчинів з використанням імпульсного електричного розряду істотно підвищує ефективність очищення води в порівнянні з поширеними технологіями і зменшує енерговитрати

теплота

Технологія обробки водних розчинів з використанням прямого підводного електричного розряду досить нова. Високовольтні електричні розряди у воді (так звана нерівноважна плазма) ініціюють різні фізико-хімічні процеси у водних розчинах:

• знищення патогенних мікроорганізмів, включаючи бактерії і їх спори, гриби, віруси і пріони;
• утворення нерозчинних сполук практично з усіма іонами важких металів (за винятком лужних) і випадання їх в осад;
• розкладання різних типів стійких забруднювачів, деструкція розчинених стійких органічних речовин типу пестицидів, фенолів, анілінів, різних барвників, токсичних хімічних речовин та ін .;
• синтез ультрадисперсних частинок, що володіють унікальними властивостями - підвищеними сорбційної і каталітичної активністю;
• активацію і структуризацію води.

Використання плазмової технології для обробки водних розчинів в очисних системах - це ефективне рішення для водоочищення та повернення в оборот стічних вод, якій притаманні:

• низьке енергоспоживання в процесі очищення;
• компактна апаратура (легко інтегрується в існуючі системи);
• простота і невисока вартість блоків і систем;
• низькі експлуатаційні витрати.

Технологія обробки води електричним розрядом вельми перспективна і має широку сферу застосування:

• очищення і обробка міських, промислових водних акваторій;
• очищення каналізаційних стоків і фільтраційних стоків міських звалищ;
• рециклинг водних відходів, включаючи нейтралізацію токсичних і радіоактивних речовин;
• виробництво як питної, так і технічної води;
• очищення і обробка води при виникненні аварійних ситуацій;
• активування води для фармацевтичної, сільськогосподарської та харчової промисловості.
• очищення засоленої води і її дезінфекція до досягнення якості питної води. Зокрема, при підготовці питної води з підземних джерел вугледобувних регіонів з використанням плазмової деманганации і знезалізнення.

Проблема очищення води від заліза особливо гостра в вугледобувних регіонах. Шахтну воду зливають в систему ставків, де вона контак тирует з повітрям і відстоюється. При насиченні води киснем повітря двовалентне залізо має швидко окислюватися до трьох валентного і випадати в осад. Однак шахтна вода має, як правило, знижений окислювально-відновний потенціал і
кислу реакцію (pH <7).

У цих умовах окислення двовалентного заліза виявляється або взагалі неможливим, або йде дуже повільно.

Якщо до складу аніонів входять, в основному, сульфати, то утворюється з'єднання тривалентного заліза Fe 2 (SO 4) 3 залишається в розчині і не випадає в осад.

Щоб прискорити процес окислення і змусити з'єднання тривалентного заліза випасти в осад, потрібно вживати додаткових заходів. Однією з таких заходів є обробка води генератором холодної плазми.

Особливості електророзрядної очищення

Технологія електророзрядної очищення має високу ефективність - простий циліндричний плазмовий очищувач споживає до 1 кВт на обробку тонни води на годину. Технологія заснована на прокачуванні води через герметичний циліндр, в якому молекули води в електричному розряді перетворюються в активні частинки. Плазмова технологія забезпечує Безреагентне очищення води за рахунок генеруються з води радикалів (рис. 1) без додаткових хімічних реактивів і може використовуватися в пересувних портативних водоочисних пристроях.

Мал. 1. Генерування активних частинок в плазмі водяного розряду

Імпульсний електричний розряд, що порушується на кордоні розділу газ-рідина, створює ультрафіолетове випромінювання і перетворює молекули води в активні частинки. Найбільш реакційно-здатними продуктами розряду є атомарний кисень (О) і гідроксильний радикал (ОН). Вони являють собою потужні неселективні хімічні окислювачі, які дуже швидко реагують з більшістю з'єднань. Константи швидкостей реакцій молекулярного озону і радикалів ОН з деякими органічними сполуками наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Константи швидкості реакцій (k, M -1 з -1) озону і радикала ОН з органічними сполуками

У таблиці наведено порівняння властивостей радикалів ОН з озоном (О3) з урахуванням уповільнення швидкості реакцій окиснення озоном в рідкому середовищі.

Нерівноважна плазма генерується пульсуючим електричним розрядом з тривалістю імпульсу кілька сотень наносекунд. Пульсуючий характер передачі енергії дозволяє обмежити термічні ефекти, отже, призводить до підвищення енергетичної ефективності. В такому пульсуючому розряді газова температура набагато нижче електронної температури (1 - 10 еВ), і за рахунок цього імпульсний розряд може генерувати високореакційного плазму з низьким енергоспоживанням, оскільки підводиться енергія в основному використовується на виробництво радикалів, іонів та збуджених частинок з незначними втратами на розширення каналу і нагрів газу.

Розглянемо деякі аспекти використання плазми для великотоннажних процесів на базі інноваційної технології плазмової обробки водних розчинів.

Малозатратна переробка промислових і побутових стічних вод

Вода, що скидається виробничими об'єктами і забруднена стійкими органічними речовинами, перед повторним використанням повинна піддаватися особливо ретельного очищення. Для видалення використовуються в промисловості речовин були розроблені спеціальні дорогі технології - адсорбція активованим вугіллям або розкладання з використанням технології окислення озоном і знезараження ультрафіолетовим випромінюванням (O3 / УФ). Однак вони, як правило, малоефективні.

Ефективний процес утворення радикалів (ОН) робить плазмовий спосіб більш ніж удвічі ефективним в порівнянні з іншими технологіями окислення. Модульна конструкція розрядних пристроїв забезпечує простоту використання установки і економічність в порівнянні з обладнанням, що працює за технологією O3 / УФ. Плазмова технологія поєднує ефективність із невисокими витратами. В першу чергу такі системи будуть затребувані там, де особливо потребують ефективного та екологічно безпечному повторному використанні води.

Безреагентне осадження іонів кальцію в жорсткій воді розрядом плазми

Солі жорсткості, зазвичай - це мінеральні іони кальцію і магнію, розчинені у воді, які переходять в нерозчинну форму і осідають на гарячих поверхнях теплообмінників або нагрівальних елементів, викликаючи безліч проблем. Головна проблема - як перевести в осад і витягти іони кальцію і магнію з рециркуляционной системи охолодження, і таким чином запобігти осадження карбонату кальцію на робочих поверхнях. У сучасній системі водопідготовки використовується безліч хімічних і нехімічних способів для боротьби з солями жорсткості. Хімічні способи досить дороги, і, як правило, небезпечні для здоров'я людини і навколишнього середовища. Фізичні способи (з використанням електричних і магнітних полів, каталізаторів, ультразвуку та т. Д.) Поки мають обмежене застосування. Жорсткість води при плазмовій обробці може бути знижена на 45-59%.

Витяг радіонуклідів з водних розчинів

Радіоактивна деактивация води супроводжується очищенням елементів конструкцій і грунту від радіоактивних забруднень. Тестові випробування процесу плазмового осадження радіонуклідів Cs-137, Cs-134 і Sr-90 з плазмохимической коагуляцией в реальних умовах гідросепарації забрудненого грунту через аварію на АЕС були виконані на пересувному плазмохімічному комплексі в префектурі Фукусіма, Японія (рис. 2).

Мал. 2. Плазмова очищення води і ґрунту від радіонуклідів після аварії на АЕС в префектурі Фукусіма, Японія

Експериментально доведено, що застосування плазми в промислової технології знезараження води перспективно і високоефективно, відсутня утворення побічних продуктів. Установки різної потужності для плазмохимической обробки для очищення і знезараження стічних вод не вимагають спеціальних приміщень і можуть експлуатуватися в стаціонарному або в мобільному варіантах. Витрати на обробку води за даною технологією не перевищують витрат в порівнянні з традиційними методами.

Практично невирішена проблема вилучення радіоактивного ізотопу водню (тритію) з великих обсягів води може бути вирішена за допомогою плазмової технології. Ця ж технологія може бути застосована для очищення водойм від накопичених побутових і промислових забруднень.

Плазмохимическая конверсія осадів стічних вод в добриво

Опади стічних вод (ОСВ) міських очисних споруд є біологічно небезпечні токсичні відходи, які не підлягають вивезенню на полігони побутових відходів. Опади міських очисних споруд є органічні (до 80%) і мінеральні (близько 20%) домішки, виділені з води в результаті механічної, біологічної та фізико-хімічної очистки. До складу ОСВ входять речовини, що володіють загальнийтоксичними, токсікогенетіческім, ембріотоксичність, канцерогенним та іншими негативними властивостями. В ОСВ можуть міститися важкі метали Cr, Cd, Hg, Cu, Pb, Co, Zn, Mo, патогенні організми (бактерії, найпростіші, гельмінти, віруси), надмірна кількість нітратів, токсичні речовини, пестициди, поліхлоровані біфеніли, аліфатичні сполуки, ПАР , поліциклічні ароматичні речовини, феноли, нітрозаміни. Що зберігаються на мулових майданчиках і відвалах опади очисних споруд, як правило, відносяться до другого класу (високонебезпечні) або третього класу (небезпечні) відходів.

Проблема обробки ОСВ і, зокрема, пошук способів вилучення важких металів з концентрованих відходів, актуальна для всіх країн. В даний час існують і застосовуються три способи:

• термічний (автоклавний гідроліз, спалювання);
• іонообмінний з подальшою сильнокислотную обробкою;
• хімічне вилуговування концентрованими кислотами і лугами.

Кожен з цих методів має переваги і недоліки. Ще в 1990 р був зроблений висновок про перспективність термічного спалювання осадів міських стічних вод, проте він екологічно небезпечний, вимагає ретельного очищення викидаються газів. Виникають значні труднощі з додатковим очищенням утворених суспензій в системі промивки газів.

Створення безвідходного та екологічно чистого підприємства з переробки осадів стічних вод на базі плазмової технології та наявних очисних споруд забезпечить:

• ліквідацію неприємних запахів на мулових картах;
• скорочення території санітарно-захисної зони;
• максимальне збереження корисної органічною складовою при детоксикації опадів;
• просту, швидку і повну рекультивацію місць зберігання (поховання) твердих і знову утворюються осадів стічних вод;
• виробництво добрив з осадів.

Технологія має три позитивними ефектами:

1. Плазмове знезараження осаду. Плазмовий розряд в рідкій фазі має бактерицидний ефект (рис. 3).
2. Плазмова деструкція розчинених у воді шкідливих і небезпечних хімічних речовин.
3. Витяг іонів важких металів похідних розчинів.

Рис.3. Зміна популяції E-coli і вірусу коліфаги (N) по відношенню до початкової популяції (N0) в функції питомої енергії Дж / см 3, що виділяється при плазменнойо бработке. Електропровідність розчину σ = 100 мкСім / см, частота імпульсів - 10 Гц.

Очищення води від забруднення є мікрокількості

Сучасні технології обробки води мають недоліки в видаленні забруднення є мікрокількості з концентрацією міліграм-нанограмм на літр. Серед них: харчові добавки, промислові хімікати, пестициди, лікарські препарати та ін. Навіть при таких малих концентраціях мають місце несприятливі екологічні ефекти.

Наприклад, безперервне надходження антибіотиків в навколишнє середовище навіть в невеликих кількостях призводить до підвищення опірності мікроорганізмів і т. Д.

Це безпосередньо впливає на здоров'я людей і їх безпеку. На більшість забруднення є мікрокількості обмежують нормативів і стандартів сьогодні не існує.

Первинний джерело більшості забруднення є мікрокількості в кругообігу води - це звичайні стоки водоочисних станцій. Типовий процес обробки води включає первинну очистку від механічних і фізико-хімічних складових, коли видаляються тверді частинки, масла і жири. Вторинна обробка зазвичай включає біологічну конверсію розчинених і колоїдних органічних матеріалів в стабіл ні низькоенергетичні з'єднання різними групами мікроорганізмів в присутності кисню. При цьому додатково генерується нова біомаса. Таку суміш мікроорганізмів з неорганічними і органічними частинками в підвішеному стані називають «активний мул». Фінішна обробка води, полягає в додатковій обробці, що забезпечує достатню якість для скидання очищеної води в навколишній простір.

Найбільш поширеним методом дезінфекції є хлорування води - внаслідок своєї дешевизни. Однак його застосування може призводити до утворення канцерогенних хлорованих органічних сполук, небезпечних для здоров'я людини та навколишнього середовища. Тому, все більшою мірою застосовується ультрафіолетова дезінфекція, а також ряд інших способів очищення води.

Необхідно відзначити, що органічні забруднювачі, які входять зі стічними водами в очисні станції, мають три шляхи виходу з неї: з очищеною водою, мулових опадами і газами в формі СО2 і
летючими органічними сполуками. Видаляється мул містить високу концентрацію небезпечних речовин, тільки невелика частина з них знаходиться в твердому вигляді.

До теперішнього часу звичайні станції очистки каналізаційних стоків не можуть забезпечити відповідне нормативам видалення небезпечних мікрозабруднень. До того ж, забруднення є мікрокількості мають високу стабільність. Наприклад, пестициди тривалий час зберігають свою токсичність після використання.

Існуючі передові методи очищення води від забруднення є мікрокількості як правило, мають високу вартість, а також мають супутні проблеми з концентрованими небезпечними речовинами на виході. Найбільш близька за результативністю до плазмової очищення води від забруднення є мікрокількості т. Н. група методів Advanced Oxidation Processes (AOP). Прикладами AOP є: озонування, застосування перекису водню, Фентонпроцесс, радіоліз, мікрохвильова обробка, електрохімічне окислення, ультразвукова обробка, інфрачервоне випромінювання, їх комбінування і ін. Тобто, для ефективного розкладання стійких забруднення є мікрокількості рекомендується синергетичне комбінування безлічі окислювачів і окислювальних механізмів. З перерахованих вище AOP пряма плазмова обробка найбільше відповідає цій вимозі, оскільки плазмовий розряд генерує широкий спектр активних частинок, найбільш важливий окислювач - радикал ОН, ультрафіолетове випромінювання, ударні хвилі.

У порівнянні з іншими методами AOP застосування плазмового розряду для обробки води - це легкість управління, капітальні та енерговитрати, експлуатаційні витрати, газопостачання. При проходженні через плазмовий реактор стійкі органічні забруднювачі розкладаються, при цьому відбувається освітлення води (рис. 4).

Рис.4. Вихідний розчин води з DNT, очищена в плазмової розряді вода і відфільтрована вода після очищення

Ще одна корисна наслідок обробки води в плазмовому розряді полягає в коагуляції колоїдних частинок зі збільшенням агрегатів в розмірі (рис. 5). Це сприяє їх легкому видаленню методом фільтрації, осадженням або відцентрової сепарацией.

Мал. 5. Розподіл часток за розмірами в колоїдному розчині стічних вод до і після плазмової обробки

Ефект актівації води

Если через плазму Пропустити НЕ Брудно, а чисту воду, вона набуває Нових властівостей. Відбувається активація води и водних розчінів плазми газового розряду. Вона Полягає в зміні їх структури, модіфікації ряду фізичних и хімічніх характеристик и біологічної актівності при впліві сукупності факторів плазми газового розряду. Например, направлено змінюючі Властивості води, можна регулюваті якість хлібобулочних виробів и підвіщуваті їх мікробіологічну чистоту. Це сприяє поліпшенню показників властивостей тіста: підвищенню стійкості зниження ступеня розрідження, збільшення показника якості: збільшення показників напруги зсуву і ефективної в'язкості тіста, що сприяє підвищенню показника формостійкості хліба, зниження його питомої обсягу і пористості.

Вода, оброблена плазмою, володіє бактеріостатичними властивостями, перешкоджаючи розвитку картопляної хвороби хліба і пліснявіння.

Оброблена плазмою введення сприяє збільшенню дріжджових клітин, при цьому знижуючи кількість молочнокислих бактерій.

Перспективи плазмової водоочищення

Багатьом не відомо, що електричний розряд стимулює ріст рослин. Плазмова технологія, може стати проривом у сільському господарстві, вважає американська компанія Advanced Plasma Solutions (APS). Нерівноважна плазма дозволяє ефективно розчиняти активні азотні і кисневі сполуки у воді. Ці частинки, отримані з навколишнього повітря і води, є стимуляторами росту, підвищують вихід сільськогосподарської продукції і допомагають боротися з багатьма захворюваннями (рис. 6). При цьому також знижується рН води, що сприяє задоволенню особливих потреб.

Мал. 6. Полив плазменно обробленої водою призводить до стимулювання зростання рослин

Потенційна користь від плазмової обробки води:

• синтезуються активні частинки, що знищують патогенні мікроорганізми;
• синтезуються азотні сполуки, що стимулюють кореневу систему і зростання рослин;
• знижується споживання води;
• стерилізуються насіння в сховищах; поліпшується проростання насіння.

Індустрія обробки води для поливу охоплює всі аспекти, починаючи від питної води до очищення промислових стоків. Проблема чистої води посилюється не тільки в країнах, що розвиваються, вона загострюється і в розвинених країнах. Наприклад, The American Water Works Association (AWWA) резюмує, що найближчі 30 років стануть ерою різкого підвищення витрат в індустрії обробки води (рис. 7).

Мал. 7. Розрив між необхідними капітальними інвестиціями і реальними витратами (мільярди доларів США) у водне індустрію США

Для знезараження води необхідно обладнання декількох категорій: потужні системи для комунальних господарств та безперервної очищення води; середні пересувні установки для військових цілей і зон стихійного лиха, що використовують природні джерела необробленої води; невеликі установки для індивідуального застосування. На додаток, в деяких випадках необхідна обробка водних відходів для запобігання поширенню захворювань і мінімізації шкоди навколишньому середовищу.

Уже створено дослідний зразок установки, призначеної для широкомасштабного використання. Контроль здійснюється шляхом природному спільній дії природних окислювачів (озону, атомарного кисню, радикалів OH та інших активних частинок) і УФ-випромінювання, що генеруються в дисперсному водному потоці на кордоні розділу рідина-газ імпульсним електричним розрядом. При цьому відтворюються явища, що відбуваються в природі під час грози, зберігаються природні властивості води.

Даний комплекс (див. Рис. 8), виконаний в модульному виконанні, легко вбудовується в системи обробки водних розчинів для їх очищення від важких металів, радіонуклідів, солей жорсткості, дезінфекції та т. Д. Апаратура призначена для багатофункціонального використання при обробці водних розчинів і включає два процеси, інтегровані в безперервну синхронізовану систему, що складаються з генерування в протоці води неравновесного імпульсного розсіяного розряду і рециркуляционной напірної аерації.

Мал. 8. Загальний вигляд універсальної установки плазмової обробки водних розчинів

Плазмова водоочистная система здатна знищувати мікроорганізми в безперервному потоці забрудненої води через зону плазмового розряду. У такій системі досягається повне усунення патогенних мікроорганізмів при низьких енерговитратах. Використання плазмового процесу при атмосферному тиску забезпечує сумісність з навколишнім середовищем при невисокій експлуатаційної ціною.

Більше важлівіх статей и новин в Telegram-каналі AW-Therm . Підпісуйтесь!

Вас может зацікавити:

Вам такоже может сподобатися

Замовлення Було Відправлено, з Вами зв'яжеться наш менеджер.