УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ДЕЗИНФЕКЦИИ ЖИДКИХ, ТВЕРДЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ
DEVICE AND METHOD FOR CLEANING AND DISINFECTION OF LIQUIDS, SOLIDS AND GASES

Область техники
Данное изобретение относится к использованию плазменной технологии в атмосферных условиях и технологии химического фотокатализа для обработки жидкостей и/или газов. Данное изобретение представляет интерес для областей деятельности, связанных с дезинфекцией и очисткой питьевой воды и промышленной сточной воды, с защитой против загрязнения промышленных систем водяного охлаждения, с восстановлением загрязненных поверхностных и грунтовых вод, с биологическими процессами сельского хозяйства, включая выращивание в водной среде, с очищением и дезинфекцией бытовых водных систем и водных систем, предназначенных для восстановления здоровья, таких как, например, плавательные бассейны, душевые и джакузи, пруды и т.д.
Дополнительно данное изобретение может быть использовано для дезинфекции, регенерации и очистки газов, например воздуха в бытовых и промышленных системах кондиционирования и обработки воздуха.
Предпосылки изобретения
Некоторое время назад было положено начало использованию плазменной технологии для обработки жидкостей, таких как, например, вода (Hoeben, 2000; Lee & Lee, 2003; Yamabe и др., 2004; Грабовский и др., 2004; Ламберт и Кресняк, 2000; Джонсон, 1996, Джонсон, 1997; Denes, 2004; Анпилов и др., 2004). В данном случае проблема, как правило, заключается в возбуждении плазмы однородного диэлектрического барьерного разряда с достаточной поверхностной площадью в слое жидкой фазы или над ним. Обработка, которая обычно связана с созданием электрических дуг, называемых также стримерами, скорее относится к обработке коронным разрядом, а не к обработке плазмой однородного диэлектрического барьерного разряда. Технология коронного разряда часто используется в воздушной среде в сочетании с обработкой озоном или УФ-облучением для обеспечения окислительного характера химических реакций, которые происходят во время этих процессов. Создание УФ-излучения, радикалов, атомарного кислорода, перекисей и окисленных частиц во время этих разрядных процессов лежит в основе дезинфекции и очистки жидкой фазы. Однако достижение достаточного перемешивания этих активных частиц с жидкой фазой, которая должна быть обработана, часто является проблемой.
2
Для дезинфекции и удаления микрозагрязнений в жидкостях, таких как вода, также используется УФ-фотокатализ. С этой целью пористые мембраны или гранулы могут быть наполнены или покрыты катализаторами, например TiO. Под влиянием УФ-излучения или излучения видимого спектра на поверхности носителя могут происходить активированные катализаторами окислительные реакции. Продукты подобных реакций обладают значительными потенциальными дезинфицирующими возможностями.
Несмотря на то что при использовании либо обработке коронным разрядом, либо УФ-фотокатализом могут быть ликвидированы некоторые токсические органические образования, этими способами невозможно устранить большое количество присутствующих микрозагрязняющих частиц.
В большинстве случаев дезинфекция воды проводится с использованием химических добавок, например хлора или биоцидов. К известным недостаткам этого способа относится часто ограниченная эффективность подобных реагентов в уничтожении частиц небактериального происхождения, или они вызывают формирование нежелательных побочных продуктов, таких как абсорбируемые органические галогенопроизводные (АОГ), например, в результате взаимодействия хлора с органическим веществом в воде. Помимо этого, хлор и биоциды обладают отрицательным воздействием на качество питьевой воды. Кроме того, потребление некоторого остаточного химического кислорода (ПХК) может вызывать последующий рост бактерий в некоторых нишах и может привести к инфицированию и загрязнению оборудования и коммунальных сооружений.
Определен ряд технических проблем, которые относятся к использованию плазменной технологии с погружением, предназначенной для дезинфекции и очистки жидкостей, таких как вода, а также газов, например воздуха. Первая проблема заключается в способе возбуждения плазмы диэлектрического барьерного разряда (ДБР) в газообразной фазе, которая погружена в жидкую фазу, или окружена ею.
Конфигурация и расположение электродов, а также способ и условия, в которых выполняется смешивание обеих фаз друг с другом, являются определяющими факторами для получения плазмы однородного диэлектрического барьерного разряда внутри смешанных фаз.
Важность использования плазмы диэлектрического барьерного разряда вместо плазмы коронного разряда является очевидной для эффективности и действенности обработки, а также с точки зрения энергопотребления и износа электродов в плазменном реакторе.
Вторая проблема, связанная с использованием плазменной технологии, предназначенной для дезинфекции и очистки жидкой или газообразной среды, часто заключается в требовании производственной мощности. При использовании современного обрабатывающего оборудования нередко выявляются практические ограничения, связанные с интенсивностями подачи подповерхностных потоков жидкости или газа. Как следствие, эксплуатационные издержки на энергию и издержки на увеличение масштаба для удовлетворения требуемой производительности могут быть высокими.
Проблема, связанная с процессами удаления активированных катализатором под воздействием света микрозагрязнений, заключается в вырождении используемого катализатора. Это обстоятельство требует восстановления, или иногда даже замены катализатора, включая простой в работе и дополнительные затраты для замены катализатора. Вышеприведенные проблемы присущи решениям, раскрытым в патентных документах США 5876663 и 6558638. В частности, в ссылочном документе США 6558638 приведено описание системы, в которой возбуждение плазмы выполняется в воде. В этой системе предусмотрена трубка из диэлектрического материала, которая окружена рядом кольцевых электродов. Это устройство погружают в жидкость, которая должна быть обработана, как правило, в воду. Через диэлектрическую трубку прокачивается воздух, который поступает в воду через отверстия в диэлектрической трубке. Зона плазменного разряда располагается между последовательными кольцевыми электродами, т.е. создание плазмы выполняется снаружи емкости трубки в воде и/или в пузырьках воздуха, поступающих в воду. Один электрод может иметь удлиненный участок, проходящий в центр диэлектрической трубки, который, не являясь основным элементом, просто способствует увеличению емкостного сопротивления первого межэлектродного зазора (снаружи трубки) и тем самым обеспечивает приложение максимальной части напряжения к указанному первому зазору, а затем вызывает ряд последовательных пробоев («скользящий по поверхности» разряд). Этот способ имеет ряд недостатков, основной из которых заключается в потере энергии, обусловленной наличием тока в воде. Эта система также страдает недостатком, который заключается в том, что на поток жидкости, проходящий через устройство, налагаются значительные ограничения, обусловливающие предел возможных скоростей потоков, которые могут быть использованы. Эта система также сложна для увеличения масштаба производства из-за ее особой конфигурации, в которой электрическое поле направлено соосно направлению потока обрабатываемой жидкости.
Цель изобретения
Целью данного изобретения является создания способа и устройства, свободных от недостатков систем, известных из уровня техники.
Сущность изобретения
Данное изобретение относится к устройству и способу, описание которых изложено в прилагаемой формуле изобретения.
Согласно изобретению устройство для дезинфекции и очистки среды, содержащей жидкую, газообразную или твердую фазу, или их смесь, содержит центральный электрод, диэлектрический слой, смежный с указанным электродом, первую область, смежную с указанным диэлектрическим слоем, и средства для введения первой среды в указанную первую область, вторую область, смежную с указанной первой областью, и средства для введения второй среды в указанную вторую область. Данное устройство также содержит средства для создания плазмы в указанной первой среде, когда указанная первая среда находится в первой области, посредством приложения напряжения между указанным первым электродом и вторым электродом и средства для инжекции указанной плазмы во вторую область с целью перемешивания со второй средой.
Предпочтительно указанный диэлектрический слой и первая область окружают электрод, а вторая область окружает указанную первую область.
Предпочтительно средства для инжекции плазмы содержат разделительную стенку между указанными двумя областями, причем указанная стенка имеет отверстия, по меньшей мере, на части ее поверхности.
Предпочтительно первая область образована камерой возбуждения плазмы, в центре которой помещен центральный электрод, при этом разделительная стенка является наружной стенкой указанной камеры возбуждения плазмы, а вторая область ограничена барьерной зоной, расположенной вокруг указанной камеры возбуждения плазмы.
Предпочтительно диэлектрический слой расположен смежно с электродом и находится с ним в контакте.
Предпочтительно средства для создания плазмы приспособлены для создания плазменного разряда между центральным электродом и второй средой, когда указанная вторая среда находится во второй области, причем указанная вторая среда выполняет функцию второго электрода.
Заявленное устройство дополнительно может содержать второй электрод, смежный со второй областью, при этом в заявленном устройстве расположены указанные средства для создания плазмы, обеспечивающие создание плазменного разряда между центральным электродом и вторым электродом.
В заявленном устройстве разделительная стенка может быть выполнена из пористого материала, причем указанные отверстия представляют собой поры указанного материала.
Указанная разделительная стенка также может быть выполнена из непористого материала, причем в указанном материале выполнены отверстия на всей поверхности разделительной стенки или на ее части.
Предпочтительно вторая область дополнительно содержит материал носителя, который наполнен или покрыт фотокаталитическим компонентом или наночастицами, содержащими фотокаталитические компоненты.
Предпочтительно указанный материал носителя содержится в сетке или корзинке, расположенной во второй области.
Предпочтительно, по меньшей мере, часть разделительной стенки (4) внутри или снаружи покрыта указанным материалом носителя.
Заявленное устройство может иметь трубчатую или плоскую конфигурацию.
Заявленное устройство может иметь симметричную конструкцию, содержащую центральный плоский электрод и два диэлектрических слоя, смежных с каждой стороной указанного электрода, причем первая область содержит две подобласти, смежные с указанными диэлектрическими слоями, при этом вторая область выполнена смежной с указанной первой областью.
Заявленное устройство также может иметь асимметричную конструкцию, содержащую центральный плоский электрод и один диэлектрический слой, смежный с указанным электродом, а также первую область, смежную с указанным диэлектрическим слоем, и вторую область, смежную с указанной первой областью.
Согласно одному из вариантов реализации заявленного изобретения разделительная стенка между первой и второй областью отсутствует, при этом средства для инжекции плазмы содержат средства для накачки указанной первой среды в указанную первую область с давлением, достаточным для поддержания указанной первой области во время работы данного устройства.
Настоящее изобретение также относится к способу обработки среды, содержащей жидкую, газообразную или твердую фазу, или их смесь, в котором в первую область устройства согласно заявленному изобретению вводят первую среду, во вторую область указанного устройства вводят вторую среду, во время нахождения первой среды в первой области в указанной первой среде создают плазму, выполняют инжекцию указанной плазмы во вторую область.
Предпочтительно указанная первая среда является газообразной средой.
Предпочтительно создание указанной плазмы выполняют в атмосферных условиях.
Предпочтительно вторая среда проходит через вторую область и подвергается обработке во время указанного прохождения.
Предпочтительно указанную вторую среду обрабатывают в циклическом режиме, при этом некоторый объем указанной второй среды вводят в указанную вторую область, а затем указанный объем подвергают обработке.
Согласно одному из вариантов реализации заявленного способа разделительная стенка между указанными первой и второй областями отсутствует, при этом указанную первую среду вводят в первую область между указанным электродом и указанной второй областью с давлением, достаточным для поддержания указанной первой области во время создания плазмы.
Данное устройство и способ используют технологию управляемой инжекции плазмы разряда в многофазной системе при атмосферных условиях (УИПРМФСА), которая может быть объединена с фотокатализом для получения синергетического воздействия на дезинфекцию и очистку, т.е. удаление остаточных микрозагрязнений в среде, такой как вода и воздух. В соответствии с предлагаемым способом плазму создают в первой фазе, которая предпочтительно является газовой фазой, которую затем смешивают со второй фазой, например жидкой фазой. При этом вместе с созданием самой плазмы могут быть созданы УФ-излучение и/или излучение видимого спектра, которые после распространения во вторую фазу могут стимулировать фотокатализ. Несмотря на то что в основном данное изобретение сосредоточено на обработке воды и/или воздуха, объем применений не ограничивается этими предпочтительными средами, он также включает обработку органических сред, например масел и жидких сред, содержащих углеводороды, смесей водных растворов с органическими фазами, и отличных от воздуха газов, например водорода, азота, кислорода, озона, углекислого газа, гелия, аргона и т.д., а также их смесей.
Данное изобретение использует принцип многофазности, посредством которого высокопроизводительная обработка и жидкой и газовой фаз не осложняется ограничениями, налагаемыми на скорости потока. Более того, поскольку концепция многофазности является модульной, она свободно допускает увеличение масштаба для удовлетворения потребностей в более высокой производительности.
Данное изобретение допускает использование плазменной технологии в сочетании с фотокатализом, оптимизируя тем самым взаимодействие обоих процессов, что касается регенерации катализатора, а также общего энергопотребления. Внутри плазмы продуцируются химически активированные частицы и радикалы, которые непосредственно или опосредованно поглощаются посредством вызванной действием света каталитической реакции. Каталитическая реакция может происходить прямо на поверхности, приближенной к созданной плазме, или удаленной от нее на некоторое расстояние. Эффективность и действенность обработки в последнем случае будет зависеть, с одной стороны, от жизнеспособности образованных химических частиц и расстояния, на которое им требуется переместиться, чтобы достичь зоны катализатора, а, с другой стороны, от спектральных характеристик созданной плазмы и спектральной поглощательной способности излучения материалов, попадающихся на траектории частиц между зоной их возникновения и зоной катализатора.
Посредством использования прозрачных для УФ-излучения и/или излучения видимого спектра разделителей фаз между разнородными фазами данное изобретение может дополнительно использовать синергию комбинированного использования возбуждения плазмы и фотокатализа. УФ-излучение и излучение видимого спектра, создаваемые во время диэлектрического плазменного разряда, могут быть использованы или непосредственно для дезинфекции и очистки, или опосредованно для восстановления фотокатализатора.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 вид в разрезе трубчатого реактора согласно изобретению.
Фиг.2 представляет собой вид сбоку реактора, показанного на фиг.1.
Фиг.3-5 изображают другие варианты выполнения трубчатого реактора в соответствии с данным изобретением.
Фиг.6 и 7 изображают виды реактора панельной формы в соответствии с данным изобретением.
Фиг.8 и 9 изображают виды асимметричного реактора панельной формы в соответствии с данным изобретением.
Подробное описание изобретения
Данное изобретение относится к устройству для дезинфекции и очистки среды, содержащей жидкую, газообразную или твердую фазу, или их смесь, а также к способу, выполняемому указанным устройством, в котором возбуждение плазмы выполняют в атмосферных условиях в первой среде, предпочтительно газообразной фазе, например воздухе, которую затем вводят нагнетанием во вторую среду, предпочтительно жидкую фазу, например воду, так, чтобы установился поток смешивания между первой и второй средой, при этом плазма используется для дезинфекции и очистки первой и/или второй среды.
Фиг.1 изображает в поперечном разрезе первый вариант выполнения предлагаемого устройства, называемого в дальнейшем также реактором, имеющего трубчатую конфигурацию. Однако равным образом возможно использование других конфигураций, например плоской конфигурации (плоская панель), показанной на фиг.6-9. Конфигурации, показанные на фиг.1-6, являются симметричными, при этом они содержат центральный круглый или плоский электрод, окруженный рядом областей, описание которых приведено в дальнейшем. Фиг.8-9 изображают асимметричный вариант выполнения, описание которого также приведено в дальнейшем.
Сначала обратимся к первому варианту, показанному на фиг.1 и 2, выполненному в виде трубчатого реактора. В нижеприведенном общем описании рассматриваются как характеристики устройства, так и характеристики способа, как будет очевидно из приложенного текста. Основным характерным признаком предлагаемого трубчатого устройства является наличие по меньшей мере центрального электрода 1, окруженного диэлектрическим слоем 2, контактирующим с данным электродом. Электрод 1 и диэлектрический барьерный слой 2 расположены по центру области 3, в которую вводится первая среда, предпочтительно в газообразной фазе (см. стрелки у верхней части области 3). Газообразная фаза в области 3 содержится в камере возбуждения плазмы, границы которой действуют как проницаемые разделительные стенки 4, которые выполняют функцию фазового разделителя, допускающего прохождение (через поры или отверстия) первой среды в окружающую область 5, которая содержит вторую среду, предпочтительно в жидкой фазе, и которая окружена наружной барьерной зоной 7. Жидкая фаза в варианте выполнения, показанном на фиг.2, проходит через область 5 (см. стрелки) и подвергается обработке во время указанного прохождения. В других конфигурациях вторая среда может быть обработана в циклическом режиме посредством введения фиксированного объема данной среды в область 5 и обработки указанного объема. В специальных конфигурациях этот реактор может также работать без разделительной стенки (объяснение приведено ниже со ссылкой на вариант выполнения, показанный на фиг.8 и 9).
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, показанным на фиг.2, имеется только один действующий электрод 1, в то время как жидкость в области 5 обладает достаточной проводимостью и выполняет функцию части второго электрода, предпочтительно заземленного. Например, если обрабатываемая жидкость является водой из коммунальной распределительной сети, то этот поток воды является заземленным, а при ее наличии в области 5 она будет действовать как противоположный электрод. В этом случае нет необходимости в наличии проводимости областей 4 или 7, которые входят в контакт с водой. Если собственно жидкость не заземлена или не подсоединена к соответствующей привязке, разделительная стенка 4 предпочтительно выполняется из проводящего материала и может быть заземлена или подсоединена к указанной привязке, как показано на фиг.2. В этой схеме разделительная стенка и жидкость в области 5 выполняют функцию второго электрода во время работы реактора.
Данное устройство дополнительно содержит средство для приложения соответствующего напряжения между основным электродом 1 и «жидким» электродом для возбуждения плазмы в первой среде, находящейся в области 3. В соответствии с предлагаемым способом эта плазма затем инжектируется, при наличии разделительной стенки или без нее, в жидкость в области 5 для очистки таким образом указанной жидкости.
Условие использования или не использования жидкости в качестве второго электрода зависит от проводимости указанной жидкости. Обычно вода обладает достаточной проводимостью, чтобы выполнять эту функцию. Однако в случае недостаточной проводимости жидкости возможно использование второго физического предпочтительно заземленного электрода 8, расположенного вокруг барьерной зоны 7 (см. фиг.3 и 4), или он может заменять наружную барьерную зону 7 и быть расположенным в непосредственном контакте с жидкостью в области 5 (фиг.5). Такое решение также способствует усилению и возбуждению дополнительной плазмы в зоне газовой фазы/жидкой фазы в области 5. В случае, показанном на фиг.5, жидкость в области 5 также может обладать проводимостью и выполнять функцию (вместе с электродом 8) второго электрода. Тогда разделительная стенка 4 может обладать или не обладать проводимостью.
В случае использования разделительной стенки 4 она может быть выполнена из непроводящего материала, например пористой мембраны, такой как керамическая мембрана, или капиллярная мембрана, или стеклянной или кварцевой трубки, которая обладает пористостью или содержит капилляры. Как вариант, разделительная стенка 4 может быть выполнена из непроводящего материала, такого как керамика, стекло, кварц, или полимер, в котором выполнены отверстия определенной конфигурации в отдельных участках, или они расположены по всей поверхности разделительной стенки 4 в соответствии с определенным рисунком, допускающим создание регулируемого потока газа из области 3 в область 5, которая содержит вторую среду, предпочтительно являющуюся жидкой фазой, но которая, также, может быть газообразной или твердой фазой, или их смесью.
Как вариант, разделительная стенка 4 может быть выполнена из проводящего материала, такого как нержавеющая сталь, содержащего поры, капилляры или отверстия.
2
2
4
2
2
9
В случае когда вторая среда представляет собой жидкую или газообразную фазу, она может дополнительно содержать твердую или золь-гелиевую фазу, которая может иметь пористую или сплошную структуру, выполняющую функцию материала носителя, и которая может быть наполнена или покрыта фотокаталитическим компонентом, или нано-частицами, содержащими фотокаталитические компоненты, такие как TiO, CaBiO, PbBiNbO. Каталитический процесс может проходить либо в пределах области 5 внутри проницаемой сетки или корзинки в зоне 6 (см. фиг.1), которая может быть расположена близко или неразрывно с разделительной стенкой 4, или он может проходить внутри всей области 5, которая в таком случае заполняется пористым материалом носителя, или, как вариант, он может проходить внутри или снаружи разделительной стенки 4 или на ней, и/или на наружной барьерной зоне 7.
Во всех случаях твердая фаза или фаза с пористой структурой, содержащая материал носителя, должна допускать прохождение света и/или химически активированных частиц из плазмы. Предпочтительно наличие большой площади поверхности носителя с выполненным на ней катализатором для увеличения взаимодействия, с одной стороны, с УФ- и активными частицами из расположенной на расстоянии плазмы, которые возбуждают катализ, а с другой стороны, со второй средой, которая должна быть обработана и которая служит в качестве субстрата для окислительного катализа.
Как вариант, катализатор может быть введен внутрь капилляров или пор материала самой разделительной стенки 4. Вследствие капиллярного эффекта жидкая фаза поглощается порами или капиллярным материалом разделительной стенки. Однако в случае, когда второй средой является жидкая фаза, она не сможет проходить через поры или капилляры в первую газообразную фазу до тех пор, пока между газообразной и жидкой фазой не будет создан относительно большой перепад давления. Содержимое пор или капилляров периодически может удаляться синхронно с возбуждением плазмы посредством создания импульса давления в газообразной фазе, величина которого превышает критическую величину давления.
Материал разделительной стенки 4 должен быть в любом случае плазменно и химически совместим с продуктами реакции, создаваемыми внутри каталитической зоны. Дополнительно является желательным, чтобы при работе в условиях погружения материал носителя был прозрачным для дистанционно создаваемого плазмой УФ-излучения и излучения видимого спектра, чтобы двести до максимума выход продуктов химического превращения в результате фотокаталитических реакций. Подобным материалом может быть пористый кварц или пористый оксид алюминия, который может содержать выровненные прямые сквозные параллельные поры, или непрямые разветвленные сквозные поры.
В случае когда второй средой является твердая фаза, она может дополнительно содержать другую твердую или золь-гелевую фазу, которая может иметь пористую или сплошную структуру и которая может быть заполнена или покрыта фотокаталитическим компонентом. Каталитический процесс может проходить либо в пределах всей области 5, или частично в переделах ее участков, при этом во всех случаях допускается прохождение света и/или химически активированных частиц из плазмы, или он может проходить внутри разделительной стенки 4 или на ней, и/или на наружной барьерной зоне 7.
Как уже было упомянуто ранее, вся система может быть окружена противоположным электродом 8, который может быть заземлен. Между электродом 8 и областью 5, которая содержит вторую среду, может присутствовать барьерная зона 7. Наружная барьерная зона 7 может, в зависимости от используемого материала, или функционировать в качестве диэлектрического барьерного слоя, или она может просто точно определять наружные границы данного устройства. В любом случае и при всех конфигурациях данная система должна содержать по меньшей мере один электрод, который окружен диэлектрической барьерной зоной для предотвращения истечения плазмы, которое приводит к повышенному износу электродов.
Изначально возбуждение плазмы выполняется в первой среде, которая представляет собой газообразную фазу в области 3, в непрерывном или импульсном режиме, а затем она вводится во вторую среду. В случае когда второй средой является текучая среда, жидкая или газообразная фаза может быть либо обработана в циклическом режиме внутри замкнутой системы, либо может быть закачена в реактор параллельно или поперечно относительно потока, который содержит первую среду, т.е. (предпочтительно) газообразную фазу. Также возможно использование сочетания обработки второй среды в циклическом режиме с внутренней циркуляцией.
В предпочтительном варианте выполнения вторая среда представляет собой жидкую фазу, которая заземлена и используется в качестве заземленного электрода, при условии наличия у нее проводимости. Данная жидкая фаза защищена от поступления в область 3, например, приложением избыточного давления в области 3, и, возможно, в сочетании с использованием отверстий, капилляров или пор с регулируемыми размерами и/или свойствами материалов. В зависимости от размещения электродов, заземления электродов и наличия или отсутствия диэлектрических барьеров, конфигурации реактора, ионного состояния второй среды и условий обработки, таких как электрический режим и скорость потока первой и второй среды, плазма в первой газообразной фазе может продолжать существовать или даже быть увеличена в течение некоторого периода времени во время ее инжекции во вторую среду. В последнем случае можно говорить об устойчивом генерировании управляемой инжекции плазмы разряда в многофазной системе при атмосферных условиях (УИПРМФСА). В последовательно формируемом пузырьковом включении высоко активные частицы из плазмы будут вступать в реакцию со второй средой у поверхностного раздела между первой и второй средой во время растворения во второй среде (если обе среды полностью растворяются друг в друге, вероятно получение наиболее высокой эффективности обработки).
На фиг.6 показан схематический вид сверху реализации принципа использования симметричной плоской панели. Вторая, предпочтительно жидкая фаза закачивается через входное отверстие 9 в реакционную камеру и поступает в область 5, где она подвергается действию первой среды и смешивается с ней, предпочтительно с газообразной фазой, которая вводится в области 3 и 10, которые могут быть соединены друг с другом. Расположенный в центре электрод 1 окружен диэлектрическим барьерным слоем 2. Первая газообразная фаза, в которой осуществляется возбуждение плазмы в областях 3 и 10, вводится во вторую предпочтительно жидкую фазу в области 5, например приложением избыточного давления в областях 3 и 10, которое является избыточным по отношению к области 5. Обработанная вторая фаза выходит из реакционной камеры через выходное отверстие 11. При циклическом режиме (замкнутом контуре) обработки второй фазы входное и выходное отверстия данной системы могут перекрываться клапанами (не показаны).
На фиг.7 показан вид сбоку реализации того же принципа использования симметричной плоской панели. Вторая, предпочтительно жидкая фаза закачивается через входное отверстие 9 в реакционную камеру в область 5. Входное отверстие 9 и выходное отверстие 11 могут избирательно перекрываться соответствующими клапанами 12 и 13 для обеспечения циклической обработки второй среды. Возбуждение плазмы выполняется в первой газообразной фазе, при этом указанные активные частицы смешиваются со второй средой. Первая газообразная фаза вводится в реакционную камеру через вход 14. Газообразную фазу собирают из областей 3, 10 и 15 и направляют через коллекторное устройство 16 на выход 17. Вход 14 и выход 17 могут перекрываться соответствующими клапанами 18 и 19 для обеспечения циклической обработки газообразной фазы. Таким образом, получается замкнутая система, в которой газообразная фаза может быть использована повторно и возвращена в оборот насосом 20 для перемещения данной газообразной фазы повторно от первого выхода 17 к входу 14. Насос 20 также работает в качестве средства, создающего избыточное давление, приложенное к газообразной фазе в области 3, обусловливающее возможность инжекции плазмы, созданной в этой фазе, в область 5. Подобное средство для инжекции плазмы имеется в любом варианте выполнения в соответствии с данным изобретением. В общем случае понимается, что «средство для инжекции плазмы» в устройствах по данному изобретению содержит, по меньшей мере, подобное насосное средство и, возможно, разделительную стенку 4 (при ее наличии).
И в трубчатой, и в плоско-панельной конфигурациях после плазменной обработки выполняется разделение первой и второй фаз. И первая среда, и вторая среда, в случае жидкой среды, могут быть обработаны независимо в закрытой (циклическом или замкнутом контуре) или в открытой (сквозной) системе. При закрытой системе жидкая и/или газообразная среды непрерывно поступают в оборот и подкачиваются обратно в устройство плазменной обработки многофазной системы. При открытой сквозной конфигурации выполняется одно прохождение через реактор, при этом обработка потока может быть выполнена с высокой пропускной способностью.
На фиг.8 и 9 показаны вид сбоку и сверху другого варианта выполнения предлагаемого устройства, который представляет собой асимметричный вариант выполнения, содержащий, как и в первом варианте выполнения, электрод 1, диэлектрический слой 20, смежный с указанным электродом и входящий с ним в контакт. Однако в этом варианте выполнения диэлектрик имеется лишь с одной стороны электрода. Область, в которой находится вторая среда, предпочтительно жидкость (в режиме циркуляции или циклическом режиме), расположена непосредственно рядом с диэлектрическим слоем, причем имеются средства, обеспечивающие накачку первой среды, предпочтительно газа, в которой должна быть создана плазма 21, в область 30 между диэлектриком и жидкостью. В этом варианте выполнения между областями 30 и 50 отсутствует разделительная стенка. Газ закачивают в область 30 с обеих сторон электрода, как это видно из фиг.9, для поддержания избыточного давления в указанной области 30, так что во время работы данного устройства сохраняется область 30 отделенного газа. При этих условиях напряжение приложено между первым электродом 1 и вторым электродом, образованным проводящей жидкостью в области 50, и/или предпочтительно заземленным вторым электродом, выполненным у нижней части данного устройства (не показан). В этом варианте выполнения жидкость предпочтительно обладает проводимостью, так что собственно жидкое тело фактически выполняет функцию второго электрода, а поддержание плазмы в основном выполняется в области 30, а затем осуществляется ее инжекция в область 50. Благодаря перепаду давлений между областями 30 и 50 возможно выполнение замкнутой системы, в которой газообразная фаза может быть использована повторно и снова возвращена в оборот насосом в реакционную камеру через вход 51.
Для оптимального смешивания газа/жидкости возможно выполнение заграждений 52, которые могут иметь любую подходящую форму, создающую неламинарный поток жидкости через реактор, и, соответственно, указанное оптимальное перемешивание.
Преимущества данного изобретения заключаются в следующем:
- Модульный принцип построения многофазного плазменного реактора допускает увеличение масштаба (промышленного) использования с более высокой производительностью.
- Модульный принцип построения обусловливает возможность простого изменения составов различных химических фотокатализаторов, испытываемых и используемых в зависимости от области применения и типа обрабатываемой жидкой или газообразной среды.
- В данном многофазном плазменном устройстве и газообразная, и жидкая среда могут быть продезинфицированы или очищены с использованием или непрерывного режима, или циклического режима работы для каждой или обеих сред.
- Процесс, лежащий в основе фотокатализа в присутствии плазмы в данной системе обработки, имеет много регулируемых параметров и свойств. Например, имеется возможность выбрать газообразную, жидкую или твердую фазы, или их смеси, чтобы получить оптимальные результаты для областей различных применений; возможно изменение скоростей потоков и жидкой и газообразной фаз в широком динамическом диапазоне; возможно изменение электрических параметров, таких как частота, разность потенциалов, энергия и импульсный или непрерывный режим работы; имеется возможность изменения конфигурации, размещения электродов и диэлектрических барьерных слоев, а также отверстий, капилляров или пор внутри разделительной стенки; эксплуатация многофазной системы в сочетании с другими нетрадиционными или традиционными способами дезинфекции и очистки, как, например, обработка УФ-излучением, обработка озоном или перекисью, или обработка частицами металла, например Ag, возможна без необходимости реконструкции или модернизации реактора или процесса.
- Устойчивая и простая конструкция способствует поддержанию и увеличению срока службы реактора при сведении к минимуму времени простоя в работе. В зависимости от выбора материала износ используемых электродов может быть сведен к минимуму, при этом расходы на замену материала могут поддерживаться на низком уровне. Например, система с центрально расположенным электродом 1 (фиг.1), выполненным, например, из алюминиевой полосы или прессованного металлического порошка, окруженного диэлектрическим барьерным слоем 2, таким как керамика, который помещен, например, в кварцевую трубку, снабженную небольшими сквозными отверстиями, может быть устойчивой в работе и требовать незначительного обслуживания или не требовать его вообще при обработке двухфазного водно-воздушного потока, заключенного в диэлектрический материал 7, например кварц или стекло.
- Дополнительное преимущество использования прозрачных материалов, таких как стекло или кварц, заключается в том, что плазменный процесс является просматриваемым и может контролироваться и отслеживаться по всей системе.
- Данная концепция допускает обработку первой среды, которая может содержать множество различных газов, или, как вариант, вторую, предпочтительно жидкую фазу можно обрабатывать одновременно с множеством различных газов. На фиг.6 приведен пример, в котором первая газообразная фаза содержит два различных газа, находящихся, соответственно, в области 3 и 10. В этом случае имеется возможность получить систему бинарной активации или дезактивации при выборе и использовании двух газов соответственно, как антагонистов или агонистов. Например, каталитическая реакция может возникать в случае, когда первая газообразная фаза содержит газ А (введенный в область 3) и содержит газ В (введенный в область 10), при этом газ А и газ В, будучи химически активными по отношению друг к другу, или к последовательно формируемым промежуточным химически соединениям между каждым газом и второй средой, входят в контакт и смешиваются друг с другом, например, у выходного отверстия 11, показанного на фиг.6. Очевидно, что принцип использования различных газов также применим и к трубчатой конфигурации. Кроме того, вместо системы параллельной обработки можно также использовать систему последовательной обработки, в которой множество различных газов последовательно вводится в последовательную цепочку различных плазменных реакторов.
- Данная концепция допускает использование трубчатой конфигурации, а также конфигурации плоской панели. Трубчатая конструкция обладает преимуществом с точки зрения промышленного производства, увеличения масштаба и энергопотребления данной системы.
- В процессе химического катализа возможно непрерывное возвращение в оборот и регенерация энергии (излучения) и химически активных частиц, возбуждаемых при создании плазмы. Этот процесс является приемлемым с точки зрения окружающей среды и общего энергопотребления.
- Данный процесс дезинфекции и очищения не зависит от добавок ко второй предпочтительно жидкой фазе, которая подлежит обработке, таких как хлор или биоцид. Таким образом, это обстоятельство также является удовлетворительным с этой точки зрения и благоприятным для окружающей среды.
- В случае когда вторая среда является жидкой фазой, газообразная фаза (или фазы) может удерживаться внутри замкнутой системы для более эффективной дезинфекции жидкой фазы, с возможностью создания режима обработки, направленного на более высокий выход создаваемых химических частиц, например озона. Озон не поступает прямо в окружающую среду в виде газа, а будет частично поглощен и растворен до некоторой степени в жидкой фазе, в которой он обладает опосредованной способностью к дезинфекции; основная фракция газообразной фазы (фаз) может быть возвращена в оборот и удерживаться внутри замкнутой системы.
- В устройстве многофазной плазменной обработки жидкие фазы, которые могут дополнительно содержать компоненты катализатора, входящие в материалы носителя твердой фазы, могут также содержать органическую среду, или смеси неорганической и органической сред. Органические фазы, или смеси неорганических и органических фаз могут затем служить в качестве субстрата для фотокатализа в присутствии плазмы.
- Эффективность, действенность и деструктивная энергия данного изобретения по отношению к остаточным и стойким органическим загрязнениям (СОЗ) может быть огромной по сравнению с любыми другими известными способами вследствие синергетического сочетания нескольких содействующих дополняющих воздействий, таких как УФ-излучение, образование радикалов, образование других (производных) химических частиц, проявляющих сильные окислительные свойства, локализованные тепловые воздействия, акустические воздействия, вызванные взрыванием пузырьков, наведенных импульсной плазмой, и каталитические процессы химического превращения, которые связаны с возбуждением плазмы.
- В предлагаемой системе отсутствуют потери энергии, обусловленные наличием тока в самой жидкости, поскольку создание плазмы происходит не в самой жидкости, а в газообразной фазе, после которой происходит инжекция плазмы в жидкость. Это обстоятельство также является причиной более низкого напряжения пробоя (в типичном случае - 0,1-6 кВ для трубчатой конфигурации и 0,1-25 кВ для конфигурации плоской панели), которое отмечается в системах по данному изобретению в сравнении с системами предшествующего уровня.
По сравнению с системой, приведенной в документе США 6558638, предлагаемое устройство имеет меньше ограничений, налагаемых на течение обрабатываемой жидкости.
Созданное в данном устройстве электрическое поле направлено перпендикулярно направлению потока обрабатываемой жидкости. Это обстоятельство облегчает увеличение масштаба устройства простым его удлинением.
Способы выполнения данного изобретения
Имеется несколько способов выполнения данного изобретения. В данных различных концепциях используются многофазные системы, которые обладают синергетическим воздействием как в отношении дезинфекции и очистки, так и общего энергопотребления и износа материала. Данное изобретение может быть выполнено в трубчатой конфигурации или конфигурации плоской панели. Далее приведено более подробное описание вышерассмотренных вариантов выполнения.
2
В первом предпочтительном варианте принципиальное выполнение сводится к трубчатой конфигурации (фиг.2). На фиг.2а и 2b показаны, соответственно, вид сверху и вид сбоку данной системы. Расположенный в центре высоковольтный электрод 1 окружен диэлектрической барьерной трубкой 2. Диэлектрический барьерный слой выполнен предпочтительно из непористой керамики, стекла или кварца. Этот элемент также расположен в центре трубки 4, имеющей больший диаметр. Данная трубка предпочтительно выполнена из электропроводящего материала, например нержавеющей стали, при этом она выполняет функцию заземленного электрода и разделительной стенки 4. В область 3 подают газ. Данная трубка в нижней части содержит отверстия, капилляры или поры, через которые происходит закачка газа в область 5, заключенную в диэлектрическую барьерную трубку 7 с большим диаметром, окружающую разделительную стенку 4. Жидкость, например вода, вводится в область 5, предпочтительно поперек потока газа, который вводится в область 3. Как вариант, в область 5 вместо жидкости также могут быть введены газ или смеси газа и жидкости. Возбуждение плазмы выполняют в области 3 в непрерывном или импульсном режиме. Жидкость, газ, или смесь жидкость/газ, закаченные в область 5, обрабатываются посредством инжекции возбужденной плазмы из области 3 через разделительную стенку 4 в область 5. Область 5 может содержать дополнительные зоны 6, в которые введены катализаторы, предпочтительно фотокатализаторы, такие как TiO, которые могут дополнительно способствовать данной обработке (на фиг.2 не показано).
Во втором предпочтительном варианте выполнения в систему, аналогичную вышеописанной системе первого варианта выполнения, введен второй высоковольтный электрод 8 для возбуждения дополнительной плазмы в зоне газообразной фазы/жидкой фазы, в области 5 (фиг.3). На фиг.3а и 3b показан, соответственно, вид сверху и вид сбоку данной системы.
В третьем предпочтительном варианте выполнения второй высоковольтный электрод 8 расположен ниже по потоку на некотором расстоянии от области, в которой разделительная стенка 4 содержит отверстия, капилляры или поры и где газообразная фаза вводится в жидкую фазу (фиг.4). Такое решение может предотвратить образование плазменных стримеров в области 5 у участков, смежных с данными отверстиями, капиллярами или порами в разделительной стенке 4, где газообразная фаза вводится в жидкую фазу. На фиг.4а и 4b показан, соответственно, вид сверху и вид сбоку данной системы.
В четвертом предпочтительном варианте выполнения данная система подобна системе, показанной на фиг.4, за исключением того, что изъят диэлектрический барьерный слой 7 (фиг.5). На фиг.5а и 5b показан, соответственно, вид сверху и вид сбоку данной системы.