ИНДИКАТОР НАЛИЧИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Полезная модель относится к отрасли контроля качества очистки сточных вод промышленных предприятий. Попадание фенола и других органических загрязнителей в сточные воды может быть следствием случайных нарушений в технологических процессах предприятия, а также случайных или преднамеренных нарушений процессов водоочистки стоков. Постоянный мониторинг наличия органических загрязнителей в стоках воды является важной проблемой, требующей решения.
Известен анализатор фенола в поверхностных водах (А.С. СССР №549735), содержащий колориметр с измерительной кюветой и пробоподготовительную систему, состоящую из блока дозировки и раскисления, пароотгонното устройства, холодильника, накопителя, блока управления, блока дозаторов, сосудов Мариотта, экстракционной колонки и коммутационной аппаратуры. Принцип контроля основан на измерении оптической плотности анализируемой пробы колориметром. Недостатком такого устройства является сложность конструкции и длительное время, затрачиваемое на анализ.
3
Известен способ хемилюминесцентого определения фенола в водных средах (патент РФ 247312), который включает подготовку доз анализируемого образца и стандартного водного раствора фенола, а определение проводят по усилению люминолзависимой хемилюминесценции, опосредованной образованием радикалов в реакциях Фентона в присутствии фенола, содержащегося в водной фазе до 1,0 мкг/дм. При измерениях используют также раствор сульфата железа, люминола, перекиси водорода. Концентрацию фенола в анализируемой пробе находят по градуировочному графику, построенному по рабочим стандартным растворам. Предложенный способ может использоваться в лабораторных условиях, но не применим для экспресс-контроля.
Известен способ вольтамперометрического определения фенола в воде и водных объектах (патент РФ 2539837) с помощью трехэлектродной системы, включающий предварительную модифицирующую электрохимическую обработку стеклоуглеродного индикаторного электрода системы, проведение измерений концентрации фенола в воде, включающих электрохимическое осаждение фенола на модифицированную поверхность индикаторного электрода из анализируемой воды, последующее электроокисление фенола при изменении потенциала индикаторного электрода, регистрацию на вольтамперной кривой аналитического сигнала, идентификацию пика фенола на вольтамперной кривой и определение концентрации фенола по величине пика фенола. Предварительную модифицирующую электрохимическую обработку индикаторного электрода проводят в водном растворе 0,2 М сульфата аммония с добавлением ацетона в соотношении объемных частей 19:1, соответственно. Основным недостатком такого способ является сложность автоматической идентификации пика фенола, что не позволяет использовать его в качестве индикатора наличия фенола в сточных водах промышленных предприятии.
Техническими задачами, решаемыми предлагаемой полезной моделью является обеспечение непрерывного мониторинга проходящей через сливную трубу воды на наличие в ней органических загрязнителей, и фенола в частности, выше допустимого уровня концентрации, а также использование в конструкции индикатора серийно выпускаемых устройств и простых конструктивных элементов.
Работа индикатора базируется на двух процессах:
- разложение органических загрязнителей в фотокаталическом реакторе до углекислого газа;
- контроль концентрации углекислого газа в инфракрасном фотометре, выдающем измеренные значения в виде электрического сигнала, и обеспечивающем включение индикаторной лампы при превышении заданного уровня концентрации углекислого газа.
На фиг. 1 показана схема индикатора наличия органических загрязнителей в сточных водах промышленных предприятий. Основными элементами индикатора являются: фотокаталитический реактор 1, газоотделитель 2 с перфорированной перегородкой 3, расположенный над ней поплавок 4 с закрепленным на нем клапаном, открывающим и закрывающим отверстие для выпуска газа в коробку 5, датчик углекислого газа 6. Коробка с датчиком углекислого газа сообщается с атмосферой через отверстие 7 в нижней части коробки. Внутри корпуса газоотделителя установлен трубчатый электронагревательный элемент (ТЭН) 8.
По оси реактора находится ультрафиолетовая лампа 9, закрытая кварцевой колбой 10, которая пружиной 11, опирающейся на перфорированную перегородку 12 прижимается к уплотнителю 13, герметизирующему полость между колбой и внутренней зеркальной поверхностью корпуса реактора. В этой полости установлена сетка 14, нити которой покрыты прозрачным силиконовым полимером с нанесенными на него (до наступления его полной полимеризации) частицами фотокатализатора, свернутая в трубу.
Две трубки 15 на одном конце имеют продольный срез по диаметральной плоскости длиной примерно 0,7 внутреннего диаметра сливной трубы, и торец трубки закрыт пластиной 16, а другой конец трубок выполнен в виде штуцера для подсоединения трубопровода. Трубки вставлены через отверстие в стенке сливной трубы 17 и герметично закреплены на ней. Первая трубка установлена так, чтобы плоскость среза была направлена навстречу потоку воды в сливной трубе, а вторая трубка, имеющая такую же конструкция, как и первая трубка, введена в сливную трубу ниже по течению воды и расположена зеркально первой трубке. При этом штуцер первой трубки связан с входным патрубком 18 фотокаталитического реактора, а вторая трубка - с патрубком 19 газоотделителя.
Индикатор наличия органических загрязнителей в сточных водах используется следующим образом. Собранные и соединенные между собой фотокаталитический реактор 1 и газоотделитель 2 размещаются над сливной трубой 17 (элементы крепления на фиг. 1 не показаны), патрубок 18 соединяют с первой трубкой устройства забора воды, а патрубок 19 - со второй трубкой. Производится подключение клемм ультрафиолетовой лампы 9, ТЭНа 8 и датчика 6 к соответствующим цепям электрического питания и сигнализации.
При подаче сточной воды в трубу 17 происходит заполнение полостей реактора и газоотделителя водой, а находящийся в них воздух стравливается через открытое выпускное отверстие в коробку 5 и через отверстие 7 в атмосферу. При повышении уровня воды удерживаемый перфорированной перегородкой 3 поплавок 4 всплывает, и его клапан закрывает выпускное отверстие для выхода газа. После этого за счет перепада динамического давления потока воды в сливной трубе 17, набегающего на первую трубку устройства забора пробы воды по плоскости среза, и разряжения, возникающего при обтекании второй трубки, происходит циркуляция воды через реактор и газоотделитель.
2
Протекающая через реактор вода подвергается воздействию ультрафиолетового излучения, прямого от лампы и отраженного от зеркальной стенки корпуса реактора. При этом обтекая сетку, покрытую прозрачным силиконовым полимером с нанесенными на него частицами фотокатализатором, например ТiO, вода участвует в фотокаталитическом процессе. Фотокатализаторы поглощают кванты света и активизируют химические превращения участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий. В результате этого органические загрязнители воды разлагаются, образуя при этом углекислый газ.
Газ может выделяться в виде пузырьков или растворяться в воде. Растворимость углекислого газа в воде существенно выше растворимости кислорода и зависит от температуры. При изменении температуры от 20 до 60°С растворимость углекислого газа уменьшается почти в 3 раза, а при температуре близкой к 100°С из воды все газы улетучиваются [Справочник химика: в 7 томах / под ред. Б.П. Никольского. - Л: Химия, 1971]. На основе этого эффекта работает газоотделитель, в котором перетекающая из фотокатлитического реактора вода ТЭН-ом нагревается до 60…80°С, что приводит к выделению углекислого газа и других газов в виде пузырьков, собирающихся в верхней части газоотделителя.
По мере увеличения объема выделившегося газа уровень воды в газоотделителе падает и уменьшается сила, выталкивающая поплавок из воды. После того, как выталкивающая сила воды окажется меньше силы тяжести поплавка, он опустится и клапан отойдет от выпускного отверстия, через которое газ начнет перетекать в коробку 5, попадая на датчик углекислого газа 6.
Таким датчиком может быть, например, датчик ACO2G201-U5-PNP-P, производитель СКБ «Индукция». Габариты датчика 35×69×94 мм, датчик имеет стандартный выходной сигнал напряжения (0-5 В) и устройства настройки его порогового значения, при котором включаются сигнальные элементы.
После выпуска газа уровень жидкости в газоотделителе вновь повышается, поплавок всплывает и его клапан перекрывает выпускное отверстие.
Получаемый в фотокаталитическом процессе углекислый газ увеличивает его концентрацию в общей порции газа, периодически подаваемой к датчику 6, что является косвенным признаком наличия органических загрязнителей в сливаемой воде. Поскольку плотность углекислого газа в 1,53 раза больше плотности воздуха, то до момента очередного выпуска газа из газоотделителя углекислый газ через отверстие 7 в нижней стенке коробки выходит в атмосферу и датчик переходит в состояние готовности анализа новой порции газа.
Начальная настройка индикатора наличия органических загрязнителей в сточных водах промышленных предприятий может быть проведена путем введения в известный объем сливаемой через трубу 17 воды порции загрязнителя, в частности фенола, обеспечивающей его концентрацию в воде, соответствующую предельной норме, установленной нормативными документами.
Таким образом, предлагаемая полезная модель решает поставленные технические задачи, обеспечивая непрерывный мониторинг проходящей через сливную трубу воды на наличие в ней растворимых органических загрязнителей, и фенола в частности, выше допустимого уровня концентрации. В конструкции индикатора используются серийно выпускаемые устройства - ультрафиолетовая лампа, кварцевая колба, ТЭН, датчик концентрации углекислого газа, а также простые для изготовления конструктивные элементы.