УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЦИАНОСОДЕРЖАЩИХ СРЕД

Полезная модель относится к устройствам для очистки воздуха, бытовых и промышленных сточных вод. Оно может быть использовано при водоподготовке в коксохимической металлообрабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности или при очистке воздуха.
Известно устройство (патент Великобритании №1363808, Кл. С02С 5/00, 1972 г.) для очистки сточных вод в две ступени, состоящие из двух абсорбентов, заполненных силикагелем с развитой поверхностью, к которым противотоком к газу подается очищенная вода. При этом на первую ступень очистки подается газ с содержанием озона 5 мас.%, а на вторую ступень очистки 0,5 мас.% озона. Развитая поверхность SiO2 используется для увеличения межфазной поверхности газ-жидкость с целью ускорения процесса сорбции озона с водой. Но такое устройство ограничено использованием в водоподготовке, требует использование озона неоднократно, что приводит к удорожанию процесса очистки. Для очистки от загрязнений необходимо использовать специально изготовленный абсорбент. Для очистки воздуха, загрязненного органическими (патогенная микрофлора, спирты и т.д.) и неорганическими веществами (синильная кислота, например) работа устройства не достаточно надежна.
Известно устройство очистки цианосодержащих сточных вод (гальванические покрытия в машиностроении. Справочник под ред. М.А.Шлугера, Л.Д.Тока, М., Машиностроение, т.2, 1985 г., стр.215) 2, содержащее усреднитель-накопитель, насос, контактную колонну, озонатор. Усреднитель-накопитель - это емкость, в которой находится раствор щелочи. В эту емкость сливают загрязненную цианидами воду. Отдельно от емкости накопителя имеется озонатор. Между накопительной емкостью и озонатором установлена контактная колонна. Накопительная емкость соединена с контактной колонной трубопроводом. В контактной емкости цилиндрической формы верхняя часть и нижняя часть корпуса имеют форму конуса. Верх контактной емкости - выход для остаточного озона, а нижняя часть - выпуск обработанной озоном воды через барботер. Перекачка отработанной воды производится через фильтр с активным углем.
Недостатками устройства являются: энергоемкость за счет использования мощных озонаторов; очистка цианидов только озоном не дает гарантию полной очистки воздуха, содержащего цианиды совместно с
органическими соединениями, входящими в реакцию друг с другом. Устройство не рассчитано конструктивно на рециркуляцию очищаемого, а рассчитано на сброс воды после озонирования в накопитель кислотно-щелочных стоков. Устройство малопроизводительно, т.к. для того, чтобы цианиды перешли в цианаты, окислились до карбонатов, необходимо время и уверенность, что очередная порция в контактной колонне полностью прореагировала до конца.
2
В качестве прототипа заявляемой полезной модели выбрано устройство (заявка №2005 12 9224/06 от 2005.09.19, МПК F16F 3/16) 3 как наиболее близкое по технической сущности и положительному эффекту. Устройство состоит из корпуса, закрытого крышкой с поддоном, соединенным через соответствующие штуцера с питательным трубопроводом и насосом, циркулирующим контуром, дренажным трубопроводом и разделительной вертикальной перегородкой с окном в нижней части на камеру орошения, наружная стенка которой в своей верхней части под крышей снабжена заборной решеткой, а внутри размещены проточный вентилятор и оросительное устройство, состоящее из вертикальных распределительных стояков с форсунками, и на камеру очистки, в которой по ходу движения воздуха помещены съемные контейнеры с вертикальными перфорированными кассетами, покрытыми слоем гашеной извести Са(ОН) с вертикальными воздушными каналами, соединенными между собой, сепарационные пластины, ионизатор, вытяжной вентилятор и распределительная решетка.
В устройстве камеру орошения подпитывают подкисленной водой, что для цианосодержащих соединений является препятствием на пути перевода их в менее токсичные соединения.
Устройство ограничено в использовании, т.к. очистку ограничивают воздействием только на составляющие загрязненной части воздуха. Корпус устройства, являясь одновременно контактной емкостью, разделен на вертикальные сухую и сырую камеры и горизонтальную часть, заполненную водой с зазором между ними. «Сырая» часть - это оросительная камера с форсунками, которые размещены на вертикальных стояках в горизонтальной плоскости. Такое размещение форсунок не дает возможность проведения эффективной очистки ни воздуха, ни воды от цианистых соединений, т.к. в месте нахождения стояков (коллекторов) и вершин конуса распыла воды форсунками загрязнения будут проходить свободно вниз без достаточной степени очистки и сопротивления, а в месте распыла форсунок создается большое гидравлическое сопротивление.
2
2
Вторая часть корпуса «сухая» напрямую выводит основную часть загрязнений наверх без реакции взаимодействия с Са(ОН) и водой, находящейся в горизонтальной нижней части корпуса. В устройстве Са(ОН) находится в твердом состоянии на пористом материале, что не гарантирует в полном объеме реакции между загрязнениями в связи с динамичностью, скоротечность процесса перемещения загрязненной массы воздуха. В случае
2
же очистки водной среды от цианистых соединений загрязнения будут смывать Са(ОН) с подложек, на которых она находится.
Задачей полезной модели является повышение надежности очистки и расширение возможностей очистки различных сред от цианосодержащих соединений.
Технический результат полезной модели достигается тем, что как и в известном устройство включающем корпус, с размещенным внутри вытяжным вентилятором и вертикальной камерой орошения, имеющей оросительное устройство, состоящее из коллектора с форсунками, имеющем заборный элемент и выходной канал, имеющем над форсунками сепаратор и ионизатор над ним, нижняя часть корпуса частично заполнена жидкостью, bvt.otv между зеркалом жидкости и нижней торцевой частью камеры орошения имеется воздушный зазор, согласно изобретению оно имеет дополнительную вертикальную камеру орошения в виде колокола с аэродинамическим профилем в нем, разделяющим по вертикали ряды форсунок, форсунки размещены в камерах орошения рядами, образуя водяную завесу сверху вниз, корпус выполнен П-образным, между камерами орошения над горизонтальной частью П-образного корпуса имеется озонатор с патрубками, отходящими в обе камеры орошения, нижняя часть корпуса разделена перегородкой из химически стойкого материала и покрыта слоем меди, входной канал подсоединен к бортотсосу, дополнительная камера орошения размещена над нижней частью корпуса, которая заполнена раствором щелочи (КОН), а под «основной камерой» орошения другая нижняя часть корпуса заполнена раствором гидроокиси кальция или натрия, сепаратор, вытяжной вентилятор-ионизатор, и выходной канал отвода размещены в основной камере орошения, напротив рядов форсунок размещены мишени в виде полусфер со скользящей рабочей поверхностью из ударопрочного и химически стойкого полимера, подпитка растворами форсунок организованна отдельно рециркуляцией из растворов в нижней части корпуса соответственно месторасположения камер орошения, верхний ряд форсунок в основной камере орошения имеет подпитку водой.
Сопоставление заявляемой полезной модели с прототипом показало, что оно отличается новыми элементами, новой взаимосвязью частей устройства и их функционированием. Камеры орошения выполнены как основная и дополнительная, что позволяет увеличить контакт с загрязнениями. Если учесть, что загрязнения - цианосодержащая среда, то есть очень токсичная и сложноразлагаемая система, в которой содержатся цианиды и цианаты, а результате окисления переходят один в другой, то эффекта полной очистки от них водной или воздушной среды очень трудно добиться. Форма дополнительной камеры орошения выполнена виде колокола, так как в этой части зоны очистки необходимо сконцентрировать, задержать и очистить основную часть загрязнений без выхода их в воздух.
2
2
2
Заявляемое устройство в отличие от прототипа способно проводить очистку не только воздуха, но и воды. Входным каналом для воздуха является бортотсос, а входным каналом для воды может быть выходной канал для вывода загрязненной части жидкости из емкости внизу корпуса устройства. За счет того, что нижняя часть П-образного корпуса имеет два отсека: отсек с раствором щелочи (КОН) и отсек с раствором гидроокиси кальция Са(ОН), а над ними соответственно размещены вертикальные камеры орошения: дополнительный в виде колокола и основной в виде вертикальной камеры с форсунками, сепараторм и ионизатором в нем, то процесс очистки даже от комплекса цианосодержащих соединений обеспечен высокими показателями. Замкнутая система орошения щелочным раствором очищаемого воздуха или воды обеспечивает незначительное гидросопротивление за счет наличия воздушного зазора над зеркалом раствора щелочи (КОН) и Ca(OH), наличия аэродинамического профиля и использования (КОН) концентрированного (рН>11), играющий роль нейтрализатора токсичности среды (KOH+HCN=KCN+HO). За счет того, что в дополнительную камеру орошения в виде колокола одновременно с раствором щелочи (КОН) поступает озон дозоровано из озонатора (с расчетом интенсивного окисления), то происходит разрушение основного объема массы цианосодержащего компорнента в очищаемой среде.
2
2
Наличие основной камеры орошения с разнозаряженными форсунками (верхний ряд, например, питьевой водой, а нижерасположенные - слабым раствором гидроокиси кальция (Са(ОН)) - питаемые из нижней части корпуса, где размещен предварительно озонированный раствор (Са(ОН)), позволяет дозавершить процедуру перевода цианосодержащих соединений (цианидов, цианатов и комплексных соединений с металлами) в нетоксичные соединения:
3
(CN+O→CNO+O2↑;
-
-
2
3
3
2
2
2
2CNO+3O+OH→2CO +N↑+3O+HO; + гидроокислы
2
2
3
2
металлов; Са(ОН)+СО=СаСО+НО;
2
2
2
Са(ОН)+2HCN=Ca(CN)+2HO;
2
3
3
2
2
3
3
2
Ca(CN)+O=CaO+CN; CN+OCO+N).
2
За счет того, что основная камера орошения находится над раствором щелочи Са(ОН), которая подавляет гидролиз, рециркуляция такого раствора в нижнюю часть корпуса гарантирует необратимость деструкции цианосодержащих соединений. Завершающими процедурами, с привлечением работы водяной завесы из верхнего ряда форсунок, с конденсацией воды на сепараторе и ионизации выходящего воздуха в канал отвода через вытяжной вентилятор, дают независимо от концентрации загрязнений 100% очистку. В совокупности взаимосвязь элементов, их «ударное» воздействие по всей линии устройства прохождения очищаемой
воды или воздуха, возможность пребывания оптимального времени контакта очищающей и очищаемой сред расширяют возможности устройства (очистка воды и/или воздуха, полная деструкция цианосодержащих соединений любой концентрации и сопутствующих им токсичных соединений).
При сравнении заявляемой полезной модели с другими изобретениями того же назначения (пат.RU №2002707, МПК С02F 1/78 от 20.06.91 г.) [4], (пат. Великобритании №1419537, Кл. С02С 5/00, 1975 г.) [5] очевидно, что известные устройства ограничены в использовании и рассчитаны на малые объемы и скорости обработки цианосодержащих соединений, дороги в использовании. Использование известных устройств в заявленном изобретении не позволяет решить поставленную задачу.
На основании сопоставления следует, что устройство обладает новизной. Оно является техническим решением. Оно промышленно применяемо, что подтверждено испытаниями, проведенными в лабораторных условиях в ЗАО «Вентмонтаж». Результаты испытаний подтверждают достижение поставленной цели.
На фигуре схематично представлено предлагаемое устройство, в разрезе.
2
2
Устройство содержит корпус П-образной формы, состоящий из основной камеры орошения (1) и дополнительной камеры орошения (2) в вертикальной составляющей корпуса, емкость (3) с раствором КОН и емкость (4) с раствором гидроокиси кальция в горизонтальной составляющей корпуса, разделенных перегородкой (5), форсунки (6) и (7) на коллекторе (8), форсунки (9), аэрокосмический профиль (10), бортотсос (11), сепаратор (12), ионизатор (13), канал отвода воздуха (14) с вытяжным вентилятором (15) в нем, каеалы отвода (16, 17) загрязнений с КОН и Са(ОН) из емкостей (3) и (4), озонатор (18) с патрубками (19) и (20) для отвода газа в камеру орошения (1) и (2), патрубок (21) для ввода воды в ряд форсунок (7) и трубопровода (22, 23) для рециркуляции растворов КОН и Са(ОН) соответственно из емкостей (3) и (4) к форсункам (9, 6, 7), напротив форсунок в основной камере орошения имеются мишени (24).
2
2
Устройство работает следующим образом. Корпус компонуют и устанавливают вблизи источника загрязнений (это могут быть технологические сточные воды в гальванических процессах меднения, цинкования, кадмирования, содержание высокотоксичных соединений: HCN, цианаты, цианиды, воздух после получения полиуретанов и т.д.). Заполняется горизонтальная часть П-образного корпуса: раствором КОН с (рН>11) через отверстие (16) и раствором Са(ОН) ρН<10 в емкость (4) через отверстие (17). Емкости разделены перегородкой (5). При закрытом бортотсосе (11) и отключенном вытяжном вентиляторе (15) включается озонатор (18) и по патрубкам (19) и (20) озон поступает в емкости (3) и (4) и предварительно озонирует растворы КОН и Са(ОН), переводя их в перекисленные соединения. Затем открывают бортотсос (11) и направляют в зону очистки
2
2
2
2
2
2
2
загрязненный воздух, одновременно включив вытяжной вентилятор и приведя в действие форсунки (9, 6, 7) в обеих камерах орошения (2, 1) соответственно. Для этого через трубопроводы (22, 23) из емкости (3) и (4) подается раствор КОН и Са(ОН) в форсунки (9) и (6), а в ряд форсунок (7) подается по трубопроводу (21) вода. Через бортотсос (11) поступает загрязненный воздух из воздушной среды или, например, надводный воздух - над содержащими цианиды электролитами. В зазор между раствором КОН в емкость (3) и камерой орошения (2). За счет наличия насыщенных водных растворов завес и работы аэродинамического профиля имеем турбулизированный водно-воздушный поток, который распределяется по двум направлениям: одна часть контактирует с раствором КОН, вступая в реакцию и деструктурируясь, а другая часть потока продвигается к основной (1) камере орошения и подвергается обработке предварительно озонированным раствором Са(ОН) из форсунок (6) и в емкости (4). В результате остатки загрязнений в водновоздушной смеси деструктурируются озоном, поступающим из патрубка (20) озонатора (18) и смываются водяная завеса из рядов форсунок (6) вниз. Полученный в результате реакций раствор с осадоком и раствор в оросительной камере выходя из форсунок ударяются о мишени (24), теряя скорость движения и сбрасывания с их поверхности в емкость (4), где раствор Са(ОН) играет защитную роль и охраняет очищаемый воздух от повторного загрязнения цианосодержащими соединениями. Раствор Са(ОН) используется менее концентрированным, чем раствор КОН из расчета, что КОН в емкости (3) принимает основную массу загрязненного воздуха и должна удержать и деструктурировать больший объем и более концентрированную часть загрязнений в очищаемой среде. Обработка Са(ОН) в емкости (4) является завершающей и должна додеструктурировать окончательно и безвозратно остальную массу загрязнений (цианидов, цианатов и т.д.). Защитная роль Са(ОН) состоят в том, чтобы подавить гидролиз цианидов. Он выполняет эту роль совместно с озоном и за счет ее рециркуляции. После очистки раствором Са(ОН) воздуха в «водяных» завесах (6) происходит отмывание его от деструктивных элементов через водяную завесу из ряда форсунок (7) с питьевой водой. Устройство работает в эндотермическом режиме реакции. После полной очистки воздух проходит к сепаратору (12), а вода конденсирует и спускается вниз. Игольчатый ионизатор (13) заряжает отрицательными ионами воздух, который проходит далее по каналу отвода (14) на выход.
2
При использовании устройства для очистки технологических вод с загрязнениями в основном цианосодержащих соединений, воздушная часть загрязнений подается через бортотсос (11), а водная - через трубопровод (16) в емкость (3). За счет предварительного озонирования раствора КОН в емкости (3) и в камере орошения очистка заканчивается полной деструкцией загрязнений водных и надводных. Возможно увеличение объема обработки водной составляющей за счет того, что перегородка (5) временно убирается, а емкость (3 и 4) заполняется Са(ОН). Озонатор имеет газоразрядник из высокопрочного металла, катализатор - пористый никель. Для
дополнительной интенсификации окислительного процесса может быть использован аэродинамический профиль (10) и перегородка (5) между растворами в нижней части корпуса, выполненными из меди или из химически стойкого полимера типа полиэтилена высокой плотности марки 270-76, пропилена ударопрочного с покрытием из меди. Корпус устройства (1-4) сборный, изготовлен из химически стойкого металла (например, нержавейки) или полимера (например, фторопласта 3, 4, (ТУ 6-05-644-79) или из полипропилена (ТУ 6-05-1849-78).
В таблице приведен пример очистки воздуха и воды. Исследовалась вода сточная коксохимического производства (КХП) и азотнотукового производства (АТП). По результатам испытаний видно, что предлагаемое устройство более эффективно, чем аналогичные устройства в 10-13 раз. Объем обрабатываемого воздуха значительно больше, чем известные - в 10 раз. А если учесть, что известные имеют малую пропускную способность очищаемой среды из-за конструктивных ограничений и порядка очистки, то предлагаемое устройство имеет в этом плане большие преимущества.
По сравнению с прототипом заявляемое устройство имеет преимущества:
- устройство позволяет использовать его для очистки воздуха и сточных вод,
- устройство универсально для очистки от цианосодержащих соединений как больших так и малых концентраций,
3
- устройство способно очищать воздух в режиме рециркуляции а объеме до 30000 м/час при парциальном заявлении ρ≈400Па;
- оно не требует дорогостоящих элементов, автоматизировано, просто в сборке и эксплуатации;
- оно использует озон с применением в озонаторе газоразрядника из высокопористого металла, каталитическая часть выполнена из пористого никеля, что позволяет уменьшить габариты озонатора, усилить эффект озонирования;
- устройство может быть использовано для очистки вод с гарантией полной деструкции цианосодержащих соединений;
- устройство функционирует с малым гидравлическим сопротивлением, что позволяет не снижать объем очищаемой среды в нем, т.е. иметь значительно большую, чем в прототипе пропускную способность системы;
- устройство способно обезвредить не только цианосодержащие соединения, но и сопутствующие соединения типа спиртов, фенола и т.д.
- оно позволяет проводить процесс очистки воздуха и воды без смены элементов в нем длительное время, в отличие от прототипа и аналогов, которые пользуются элементами быстрозарастающими солевыми отложениями.
Таблица.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Производительность устройства мл/час - вода, м<sup>3</sup>/час - воздух
Концентрация цианосодержащих соединений, мг/л
Степень очистки, %, в среднем
SCN
CN
CNO
1.Сточная вода КХПВода после обработки по аналогу
Известный (5) аналог 150
6041,0
60,0
548,0
98,7
2. Сточная вода АТПВода после обработки по аналогу
252,0
2000,2
1380,01
60 5,0
98,7
3. Вода сточная КХПВода после обработки заявляемым устройством
Заявляемый20000
4700,1
170.00
80.00
99,8
4. Вода сточная АТПВода после обработки заявляемым устройством
25000
1500,00
1070,00
130,01
99,93
5. ВоздухВоздух после обработки по прототипу
Известный (3) - прототип3000
8040
5027
3010
48,1
6. ВоздухВоздух после обработки заявляемым устройством
Заявляемый30000
800,00
500,00
350,00
100
Источники информации
1. Патент Великобритании №1363808, кл. С02С 5/00, 1972 г.(аналог).
2. Справочник «Гальванические покрытия в машиностроении» под редакцией М.А.Шлугера, Л.Д.Тока. М. «Машиностроение». Т.2, 1985, стр.215 (аналог).
3. Заявка №2005129224/06, МПК F16F 3/16, от 20.03.09 (прототип).
4. Патент №2002707, МПК С02F 1/78, от 20.06.91 (аналог).
5. Патент Великобритании №1419537, Кл. С02 С 5/00, 1975 г.(аналог).