Плазмохимические технологии очистки промышленных сточных вод, газовых выбросов, переработки нефти, твердых бытовых отходов (ТБО) и промышленных отходов

УДК 628.16.087

Плазмохимические технологии очистки промышленных сточных вод, газовых выбросов, переработки нефти, твердых бытовых отходов (ТБО) и промышленных отходов

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2014

В.А. Одарюк, С.Я. Тронин

Аннотация

Приведена информация о разработке и применении для очистки сточных вод, газовых выбросов, переработки нефти, твердых бытовых и промышленных отходов плазмохимических технологий. Предлагаемые технологии находят применение в химической промышленности, в нефтехимических производствах, в пищевой промышленности, в медицине, в гальванике, в фармацевтических производствах, в сельском хозяйстве и пр.

Ключевые слова: фотохимические процессы; импульсный электрический разряд; генерация холодной плазмы; плазмохимия; радиолиз воды; синергетическая эффектность обработки воды; каталитическая конверсия.

Plasma-Chemical Technology of Clearing Industrial Waste Water, Waste Gas, Oil Refining, Municipal Solid Waste (MSW) and Industrial Waste

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2014

V. Оdaruk, S. Tronin

Abstract

The article presents information on the development and implementation of plasma chemical technologies of purification of waste water, waste gas, oil processing of solid domestic and industrial waste using the plasma chemical technology.

The proposed technology is used in the chemical industry, petrochemical industries, food industry, medicine, galvanic, pharmaceutical industries, in agriculture, etc.

Key words: photochemical processes; pulse electric discharge; the generation of cold plasma; plasma chemistry; water radiolysis; synergetic effect of water treatment; catalytic conversion.

1. Технологии плазменной очистки загрязненных вод, активации воды и водных растворов

Плазменные технологии находят свое применение в очистке промышленных, специальных и бытовых сточных вод, в восстановлении природопользования загрязненных водоемов, в подготовке питьевой воды, в очистке воды для технологических целей, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций. Кроме того, они используются в медицинской, фармакологической, пищевой, микробиологической, химической промышленности [1].

Использование плазменных технологий очистки промышленных и бытовых сточных вод позволит без экономических потерь реконструировать очистные сооружения действующих промышленных предприятий и оснастить ими вновь создаваемые, тем самым значительно улучшив состояние окружающей среды и повысить экологическую безопасность производства. Применение этих технологий также эффективно при природовосстановительных мероприятиях, что могло бы позволить вернуть значительное число утраченных из хозяйственного оборота водоемов [1].

Предлагаемые технологии способны эффективно очищать стоки воды [1]:

горнорудных, электронных, механических, нефтехимических, микробиологических, фармацевтических и агропромышленных производств;

стоки гальванические, химической, пищевой промышленности, животноводческих и птицеводческих комплексов.

Рассматриваемые технологии применяются также в очистке жилищно-коммунальных стоков, стоков ливневой канализации, стоков индивидуального жилья. Предлагаемые технологии способны, помимо того, очищать от загрязняющих веществ и заражающих компонентов «специальные» стоки [1] (производств радиоактивных и токсичных материалов; содержащие патогенные бактерии и вирусы; медицинских учреждений [1].

Технология позволяет очищать промышленные стоки с исходной концентрацией загрязняющих веществ до нескольких грамм на литр и финальной концентрацией, позволяющей осуществлять сброс очищенной воды в открытые водоемы (реки, озера и пр.), а также в канализацию [1].

Технология плазменной очистки промышленных сточных вод обладает серьезными конкурентными преимуществами перед используемыми технологиями, среди них [1]: конструктивными: модульная структура; мобильность;

адаптивность по производительности; адаптивность к максимальным нагрузкам;

небольшой физический объем оборудования, отсутствие больших емкостей;

легкая интегрируемость в действующую инфраструктуру;

эксплуатационными: высокая степень автоматизации; отсутствие химических реагентов; техническими:

универсальность по видам и комбинациям загрязнителей;

эффективность в широком диапазоне исходных концентраций загрязнителей;

высокая эффективность очистки; экономическими:

минимальные капитальные затраты; высокие показатели по критерию «эффективность-стоимость;

низкие эксплуатационные расходы. Поиск экологически безопасных и, что не менее важно, низкозатратных и технологически эффективных процессов очистки воды — один из социально-экономических приоритетов XXI века. Оценочная емкость мирового рынка по водоочистным технологиям для подготовки только питьевой воды составляет порядка 300 млрд долларов США и в дальнейшем она неизбежно будет возрастать. Однако, к сожалению, большое разнообразие химических и биологических примесей в водах различного происхождения (подземных и поверхностных источников) не позволяет создать универсальный метод доведения качества воды до нормативных экологических и санитарно-эпидемиологических требований [2].

Окислительные фотохимические процессы, включающие методы одновременного воздействия УФ-излучения и окислителей, естественных для природной среды (озона, перекиси водорода и др.), наиболее перспективны среди новых технологий по обработке и обеззараживанию воды. Импульсный электрический разряд в многофазной среде с генерацией холодной плазмы можно отнести к этим технологиям. Технология электроимпульсной обработки воды и промышленных стоков представляет так называемый деструктивный метод, в основу которого, в отличие от регенеративных методов, удаляющих примеси из воды в твердую (адсорбция), газовую (десорбция) или неводную жидкую (экстракция) фазы, положено внесение химических изменений в структуру и состав молекул примесей (плазмохимия). Причем наиболее действенным превращением является окисление веществ, что служит наиболее эффективным средством обеззараживания микроорганизмов [3].

При использовании импульсных электрических разрядов в газе возникает особый вид плазмы. Это плазменное состояние имеет ряд особенностей, отличающих его от других.

Емкость с такой плазмой может не быть нагретой «на ощупь» по сравнению с температурой окружаю-

щей среды. По этой причине газоразрядную плазму называют низкотемпературной или холодной [3].

Применение низкотемпературной плазмы по сравнению с традиционными химико-технологическими процессами потенциально является экологически чистым, а также значительно менее энергозатратным (удельные энерговклады составляют 10—20 кВт на кубический сантиметр разрядного промежутка). При этом в связи с малым объемом разрядной камеры плазмохимического реактора затраты электрической энергии получаются относительно небольшими. Большая величина энерговклада при небольших суммарных затратах электроэнергии позволяет рассчитывать на создание компактных и чрезвычайно эффективных плазмохимических реакторов, что значительно удешевляет технологию очистки воды [3].

Метод очистки и обеззараживания сточных вод различного происхождения и доочистки (подготовки) воды плазмой газового разряда заключается в одновременном воздействии на воду или водный раствор электромагнитного излучения (в инфракрасной, ультрафиолетовой и видимой областях спектра), ударных акустических волн, потоков заряженных частиц, а также переменного электрического и магнитного поля [3].

Внешний вид разрядной камеры плазмохимиче-ского реактора показан на рис. 1 и 2.

Авторским коллективом НИИ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ совместно с «ИТЦ РАДИАНТ» решались задачи технологического процесса водоочистки с использованием ускорителей электронов.

Реальные объекты обработки — органические и гальванические отходы промышленных производств из отстойников ГУПП «Полигон «Красный Бор» (таблица 1) [4].

Таблица 1

Водоочистка отстойников «Полигона «Красный Бор»

Экспериментально апробирована технологическая схема производства, включающая следующие основные функциональные блоки [4]:

блок предварительной подготовки жидкости (грубая и тонкая механическая очистка);

основной функциональный блок-узел электронно-лучевой обработки на базе средне- или низкоэнергетического ускорителя электронов (перевод ор-

ганических и неорганических компонентов обрабатываемых сред в формы, необходимые и достаточные для эффективного улавливания);

блок электрохимической обработки в сочетании с декантационно-сорбционной переработкой.

2. Очиститель воздуха «ПЛАЗМОКАТ»

Наряду с существующими методами очистки воздуха (газов) от загрязняющих веществ — электростатическими, биологическими, сорбционными, каталитическими, химическими в последние годы распространение получили плазмокаталитические технологии (ПКТ) [5].

«ПЛАЗМОКАТ» — очиститель воздуха, принцип действия которого основан на технологии плазмока-талитического разложения вредных веществ, содержащихся в воздухе. Плазмокаталитическая технология, первоначально разработанная для очистки воздуха на космических кораблях, является наиболее эффективной и экономичной современной технологией газоочистки. В основе технологии лежат два способа разложения газообразных загрязняющих веществ до элементарных соединений (С02, Н20): плазмохимический и каталитический [5].

Очиститель воздуха «ПЛАЗМОКАТ» выпускается в различных модификациях:

очиститель воздуха для систем приточной и вытяжной вентиляции;

локальный воздухоочиститель замкнутого возду-хооборота в помещениях;

как передвижной (мобильный) воздухоочиститель.

Преимущества очистителей воздуха «ПЛАЗМОКАТ»[5]:

малые габариты и гибкое конструктивное размещение (легко монтируется на действующих производствах, участках, заводах и пр.);

при их работе синтезируется озон в регулируемом количестве, происходят не только окислительно-восстановительные реакции для очистки воздуха от газовых загрязнений, но и дезинфекция воздуха;

остаточный озон уничтожается каталитическим реактором очистителя, поэтому они используются в качестве установок нейтрализации остаточного озона;

не требуют дополнительных расходных материалов, сопутствующих приборов, предварительной подготовки воздушной среды;

их эксплуатация и ремонт предельно просты и не требуют специального обучения;

сконструированы по модульному принципу и могут очищать объемы воздуха от 5 до 100 000 м3/час и более;

они дешевле любых других систем очистки воздуха на 20—30 %;

успешно применяются для уничтожения запахов.

Параметры На входе На выходе

рн 8,2 7,8

ХПК*, мг (О)/л 18000—20000 Менее 100

Фенолы, мг/л 14000 0,5

Хром, мг/л Более 5 0,08

Никель, мг/л 2—10 0,1

*ХПК, мг (О)/л — химическое потребление кислорода

Рис. 1. Разрядная камера плазмохимического реактора

Рис. 2. Разрядная камера плазмохимического реактора

3. Плазмохимическая технология переработки нефти

Мировые запасы нефти неуклонно сокращаются, в добываемой нефти возрастает доля тяжелых, высокосернистых и высокопарафинистых нефтей. Их переработка требует новых технологий и катализаторов, стойких к высоким содержаниям серы, металло-органики, парафинов и других примесей [6].

В плазмохимической технологии переработки нефти впервые реализовано открытое и исследованное явление аномально ускоренного разрыва связей в углеводородных молекулах при быстром микроволновом объемном нагреве, использованы результаты детальных исследований физико-химических процессов, происходящих на отдельных стадиях приготовления катализаторов крекинга как единой системы, состоящей из цеолита и матрицы [6].

По плазмохимической технологии осуществляется углубленная переработка нефти, газового конденсата, вакуумного газойля, мазута и других видов углеводородного сырья. При этом углеводородное сырье, в отличие от традиционного многоступенчатого процесса, перерабатывается в одну стадию [6].

Для переработки нефти создан специальный полифункциональный катализатор, позволяющий в одну стадию при одном проходе углеводородного сырья проводить до 4-х реакций одновременно. Определены основные параметры конструирования высокоэффективного полифункционального катализатора, найдены условия взаимодействия компонентов катализатора, обеспечивающие высокий техни-

ческий уровень его фундаментальных характеристик, таких как активность, селективность и стабильность [6].

При переработке нефти не требуется применение водорода. Содержание общей серы в углеводородном сырье не лимитируется, при этом ее содержание в готовых продуктах составляет не более 0,01 % [6].

Температура каталитических преобразований снижена в среднем в 2 раза. Каталитические процессы крекинга нефти осуществляются в диапазоне температур от комнатной до 300 °С и при атмосферном давлении. При этом скорость реакционных процессов возрастает в сравнении с традиционными методами переработки нефти в среднем в 200 раз. За счет этого капитальные и эксплуатационные затраты по сравнению с традиционными технологиями переработки нефти снижаются в среднем в 10 раз [6].

Плазмохимическая технология переработки нефти и других видов углеводородного сырья является универсальной, так как позволяет осуществить полную переработку нефтяного сырья в ценнейший набор углеводородов, являющихся сырьевой базой нефтехимической промышленности [6].

Новая технология исключает затраты на проведение процессов [6]: гидроочистки, риформинга, изомеризации, алкилирования, депарафинизации.

Она существенно снижает энергоемкость производственных процессов, обеспечивает низкий уровень удельного расхода электроэнергии, недостижимый для других известных технологий, позволяет

осуществлять очистку, кондиционирование и переработку сырой нефти непосредственно на нефтепромыслах [6].

Она не имеет мировых аналогов, прошла испытания на пилотном плазмохимическом реакторе [6].

Основным ее преимуществом является значительное упрощение и удешевление традиционного процесса нефтепереработки с одновременным увеличением выхода бензина, дизельного топлива и других целевых продуктов и повышением их качества [6].

4. Переработка твердых бытовых и промышленных отходов

Процесс плазменной газификации (высокотемпературный пиролиз) твердых бытовых и промышленных отходов всегда сопровождается восстановлением ряда компонентов и энергии, используемых затем в других производствах. Процесс восстановления (рекуперации) энергии перспективен и экономически выгоден для переработки различных видов отходов в ценные продукты [7].

Строительство заводов по переработке всех видов отходов с использованием плазменной газификации поможет устранить такие процессы при их переработке, как сортировка, выброс вредных газов и борьба с «хвостами» [7].

Способ плазменной газификации может быть использован для переработки всех видов отходов за исключением ядерных. Отходы поступают на обработку по этому методу в смешанном состоянии, минуя сортировку. 1—5 % электроэнергии, полученной в результате плазменной газификации отходов, используется для технологических нужд этого процесса. Охлаждение плазмотронов проводится водой, поступающей после охлаждения синтетического газа. Автоматизация, используемая в технологическом процессе плазменной газификации, способствует контролю почти 300 параметров — загрузка и выгрузка отходов, образование плазмы и пр. [7].

При плазменной газификации из одной тонны муниципальных отходов (ТБО — твердые бытовые отходы) образуется более 1 МВт/ч электроэнергии, (что недостижимо для других традиционных технологий обработки и утилизации отходов) и непироли-зуемые остатки: металл, остеклованный шлак, соляная кислота и пр. продукты [7].

Безопасность процесса плазменной газификации позволяет размещать завод по переработке отходов в черте города или в его близости, что доказано на примере завода в США, перерабатывающего 1 млн тонн отходов в год. Доступные технические решения дают возможность размещать оборудование на площадях значительно меньших, чем у заводов, использующих другие технологии. Эффективность использования плазмы в целях утилизации твердых бытовых промышленных отходов

в 10—100 раз выше по сравнению с прямым сжиганием отходов [7].

Плазмотроны могут работать в различных газовых средах, таких как воздух, кислород, азот, аргон и других, что позволяет использовать их, в металлургии, химической промышленности, гальванике и производить утилизацию всех видов отходов [7].

Выводы

1. Разработан плазменный метод очистки воды. Показан механизм образования холодной плазмы. Представлена технологическая схема очистки воды с использованием плазменного метода, перечислены конструктивные, эксплуатационные, технические и экономические преимущества данного метода перед существующими.

Плазменный метод может быть использован в системах МЧС России при очистке зараженных источников питьевой воды или при обезвоживании их. В этих случаях используются мобильные, передвижные установки, в которых с помощью плазменного метода поверхностные или грунтовые воды очищаются от химических загрязнителей и обеззараживаются до ПДК воды питьевого качества. В дальнейшем эти воды используются в системах питьевого водоснабжения. При обработке технологических вод плазменным методом также могут быть использованы мобильные передвижные установки. Очищенные и обеззараженные стоки используются для промывки помещений и оборудования, в системах оборотного водоснабжения или же сбрасываются в поверхностные водоемы.

2. Разработан плазмохимический метод очистки воздуха в установке «ПЛАЗМОКАТ».

Его производительность составляет от 5 до 100 000 м3/ч и более, а применение в совокупности с пылеочистительными установками (сооружениями) позволяет осуществить полный цикл или частичную очистку газов, выбрасываемых в атмосферу, реализовать систему замкнутого воздухооборота в рабочем помещении, что особенно актуально для химически, биологически, радиационно опасных объектов с учетом высокой токсичности их газовой фазы. Таким образом, применение «ПЛАЗМОКАТ» для МЧС России необходимо в условиях, где он имеет очевидные преимущества перед другими очистителями воздуха в рабочих помещениях, особенно в отраслях производства, в которых применяется малогабаритное и среднегабаритное технологическое оборудование: нагревательные, термические, плавильные печи малых объемов, покрасочные камеры, коптильни, плиты для термообработки пищевых продуктов и т.п. Эти преимущества обусловливаются малыми капитальными и эксплуатационными затратами и достижением требуемой эффективности очистки воздуха.

Он эффективен при использовании в приточных системах вентиляции, особенно крупных промышленных городов и центров, и выпускается в различных модификациях: очиститель воздуха для систем приточной и вытяжной вентиляции; локальный воздухоочиститель замкнутого воздухооборота в помещениях; как передвижной (мобильный) воздухоочиститель.

Последнее значительно повышает его технологическую значимость при использовании в системе МЧС России.

3. Плазменные методы также находят применение в переработке нефти. По плазмохимической технологии осуществляется углубленная переработка нефти, газового конденсата, вакуумного газойля, мазута и других видов углеводородного сырья. При этом углеводородное сырье, в отличие от традиционного многоступенчатого процесса, перерабатывается в одну стадию. На выходе образуются высокооктановый бензин и дизельное топливо, в которых всегда нуждается МЧС России.

Литература

1. Berkova M.D., Bykov A.A., Velikodny V.Yu., Vorotilin V.P., Grishin V.G., Dobrynetc Yu.V., Krychenko O.V., Nikitenko L.K, Popov V.V., Rychagov E.N, Tolkunov B.N. Plasma technologies in ecological problems. 13 Intern. Conf. on condensed matters, nuclear science, abstracts, Sochi, June 25-July 1, 2007. http://www.plasmawater. org/index.php?option=com_content&task=view&id=16&Itemid=74.

2. Материалы VI Международного конгресса «Вода: экология и технология — ЭКВАТЕК-2004». М., 2004. С. 600—601. http://old. aquaexpert.ru/news/?t=10&id=1223.

3. Маслова О.Н., Гриневич В.И., Бубнов А.Г. Взаимосвязь содержания активных частиц и параметров разрядной зоны при плазменной обработке воды // Тезисы II Всероссийской конференции (с приглашением специалистов стран СНГ) «Прикладные аспекты химии высоких энергий». М., 2004. С. 71. http://www. sibai.ru/effektivnyij-metod-obezzarazhivaniya-vodyi-ultrafioletovoe-izluchenie.html.

4. Маслова О.Н., Гриневич В.И., Бубнов А.Г. Влияние параметров

реактора на энергозатраты при плазменной очистке воды от фенола // Тезисы II Всероссийской конференции (с приглашением специалистов стран СНГ) «Прикладные аспекты химии высоких энергий». М., 2004. С. 72. http://incot.ru/www/docs/ exh_acc/11_isse/spb_gpu_2.pdf.

5. Великодный В.Ю., Беркова М.Д., Воротилин В.П., Гриши В.Г. Плазменные технологии очистки сточных вод // Прикладная физика. М., 2008. http://www.gsp-bmt.rU/services/7/71.html.

6. Мешалкин В.П., Койфман О.И., Гриневич В.И., Рыбкин В.В. Методы химии высоких энергий в защите окружающей среды: Уч. пособ. М.: Химия. 2008. 244 с. http://www.isuct.ru/istapc2005/ procZp13.pdf.

7. Сайт http://recyclingforum.ru/showthread.php/94-sovremennye-resheniya-po-pererabotke-tverdyh-bytovyh-othodov.

Сведения об авторах

Одарюк Виктория Андреевна: к. х. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС(ФЦ), с. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: odaruk40@maii.ru SPIN-код — 1194-2887.

Тронин Станислав Яковлевич: к. х .н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), вед. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (499) 449-99-64. E-mail: syatronin@yandex.ru SPIN-код — 6372-9682.

Information about authors

Оdaruk Victoria А.: Ph.D. in Chemistry, Federal Government

Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil

Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and

high technology), senior researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7.

E-mail: odaruk40@mail.ru

SPIN-scientific — 1194-2887.

Tronin Stanislav Y.: Ph.D. in Chemistry, Federal Government

Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil

Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and

high technology), leading researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7.

Tel.: (499) 449-99-64.

E-mail: syatronin@yandex.ru

SPIN-scientific — 6372-9682.