ПРОТОЧНЫЙ ФОТОРЕАКТОР БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА

Полезная модель относится к классу установок, в которых энергия оптического излучения ультрафиолетового (УФ) диапазона используется для активации химических процессов в облучаемом материале. Полезная модель может быть использована для обработки жидких и газовых сред, а также твердых частиц, взвешенных в жидкой или газовой среде (взвесей, суспензий), в частности, для обеззараживания жидкостей и газов, очистки сточных вод и трубных газов, низкотемпературного окисления токсичных соединений.
Известен реактор (IEEE transactions on plasma science, 2006, Vol.34, No.6, P.2624-2629), разработанный для разложения органических загрязнителей в воде (обрабатываемой среде). В данном реакторе для обработки воды используется два процесса: 1) химические реакции при участии озона и 2) УФ-активация химических процессов на сеточном катализаторе из диоксида титана. Излучающая часть фотореактора представляет собой разрядный промежуток, образованный барьерными электродами коаксиального типа, через который прокачивается воздух (рабочая среда газового разряда). Центральным электродом является металлический стержень, который помещен в керамическую трубку, являющуюся внутренним диэлектрическим барьером. Внешним диэлектрическим барьером служит кварцевая трубка. Внешним электродом является сама обрабатываемая жидкая среда, размещенная вокруг внешнего диэлектрического барьера. Система заключена в колбу. Источником озона и УФ-излучения в реакторе является плазма барьерного разряда, которая создается при прокачке воздуха через разрядный промежуток между внешним и внутренним диэлектрическими барьерами. В объеме, содержащем обрабатываемую среду, размещена алюминиевая сетка, покрытая диоксидом титана. Рожденное в разряде УФ-излучение попадает на сетку, покрытую диоксидом титана, являющегося катализатором, активирующим химические процессы, способствующие обеззараживанию среды. Кроме того, образовавшийся при прокачке воздуха через разрядный промежуток озон подается в объем обрабатываемой среды и также вызывает деградацию органических загрязнителей.
2
Недостатками данной конструкции являются: 1) барьерный разряд в воздухе является неэффективным источником УФ-излучения, в результате чего плотность мощности УФ-излучения невысока; 2) металлическая сетка, покрытая TiO, контактирует с обрабатываемой средой, что может привести к возникновению дополнительного химического загрязнения среды; 3) узкая специализированная направленность реактора по отношению к обрабатываемым веществам и характеристикам обработки - можно обрабатывать только воду; спектр излучения газовой среды разряда однозначно определяется спектром свечения воздуха и не может быть изменен.
Известен фотореактор субпроточного типа (ПТЭ, 2006, №1, С.142-144) для обработки газообразных и жидких веществ. Источником УФ-излучения является свечение плазмы барьерного разряда (длина волны излучения 172 нм). Основой фотореактора является заполненная обрабатываемой средой металлическая колба цилиндрической геометрии, внутри которой осесимметрично установлена разрядная камера, образованная заполненным рабочей средой газового разряда разрядным промежутком, заключенным между внутренним и внешним электродами, причем внешний электрод является сеточным и отделен от разрядного промежутка диэлектрическим барьером, выполненным из кварца, прозрачного в УФ-диапазоне спектра.
2
Внутренний электрод выполнен в виде металлического стержня и расположен непосредственно в газовой рабочей среде разряда. Возникающее в разряде УФ-излучение проходит сквозь прозрачный диэлектрический барьер и сеточный электрод, после чего воздействует на располагающуюся вокруг разрядной камеры обрабатываемую среду. Отвод тепла от разрядной камеры осуществляется через обрабатываемую среду. Плотность мощности УФ излучения на поверхности газоразрядной камеры достигает 15-17 мВт/см.
Прототипу присущи следующие недостатки:
1) УФ-излучение частично поглощается непрозрачными элементами конструкции, а именно внешней сеткой и внутренним электродом;
2) внутренний металлический электрод расположен в газовом разрядном промежутке, вследствие чего из-за распыления металла в разряде и химического взаимодействия с газовой средой рабочая газовая среда с течением времени эксплуатации загрязняется, деградирует и теряет свои свойства. Деградация газовой среды разряда может приводить к значительному снижению интенсивности УФ-облучения обрабатываемой среды и к сокращению срока службы;
3) внутренний металлический электрод разрядной камеры контактирует с газовой средой разряда, поэтому нельзя в качестве рабочей смеси разряда использовать химически активные галоген-содержащие смеси, являющиеся эффективными источниками УФ-излучения. В связи с этим круг используемых смесей ограничивается только ксеноном, имеющим максимальную длину волны излучения из всех инертных газов (172 нм), поскольку излучение с длиной волны менее 160 нм имеет значительный коэффициент поглощения в кварце;
4) внешний сетчатый электрод контактирует с обрабатываемой средой, что приводит к коррозии электрода и загрязнению среды;
5) отсутствие системы охлаждения внутреннего электрода может привести к перегреву газовой среды разряда, следствием чего является снижение интенсивности УФ-излучения.
Задача состоит в разработке фотореактора, позволяющего повысить качество обработки среды.
Технический результат заключается в повышении плотности мощности УФ-излучения, падающего на обрабатываемую среду; обеспечении возможности селективного выбора рабочей среды газового разряда, которая однозначно определяет спектральный диапазон УФ-излучения; расширении области применения для большего количества обрабатываемых сред и увеличения срока службы фотореактора.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного, проточного фотореактора барьерного разряда, содержащего колбу с разрядной камерой, образованной заполненным рабочей средой газового разряда разрядным промежутком, заключенным между внутренним и внешним электродами, отделенными от разрядного промежутка, по крайней мере, одним диэлектрическим барьером, и системой прокачки обрабатываемой среды, в предложенном фотореакторе разрядная камера и система прокачки функционально совмещены в едином объеме колбы, при этом система прокачки обрабатываемой среды выполнена в форме канала со стенкой из прозрачного в ультрафиолетовом диапазоне спектра материала, а канал размещен непосредственно в разрядном промежутке.
В конкретном варианте реализации, проточный фотореактор может отличаться тем, что колба выполнена из диэлектрика, внешний и внутренний электроды установлены коаксиально с образованием пары диэлектрических барьеров посредством расположения внешнего электрода на внешней, не контактирующей с рабочей средой газового разряда, поверхности колбы, и установке внутреннего электрода на внутренней, не контактирующей с рабочей средой газового разряда, поверхности колбы; при этом канал прокачки обрабатываемой среды выполнен в виде соосной электродам цилиндрической спирали из кварцевой трубки, а электроды выполнены из материала с высоким коэффициентом отражения в ультрафиолетовом диапазоне спектра
Кроме того, в подобном проточном фотореакторе электрод и поверхность колбы, не контактирующая с рабочей средой газового разряда, могут быть разделены светоотражающей поверхностью.
В частности, электроды фотореактора представляют собой формирующие светоотражающие поверхности зеркальные алюминиевые слои, нанесенные методом напыления на внешние поверхности диэлектрических барьеров.
Спектральный диапазон облучения среды в фотореакторе может быть обеспечен выбором газовой рабочей среды разряда.
Фотореактор может быть снабжен системой охлаждения в виде внешнего металлического корпуса, заполненного трансформаторным маслом.
Функциональное совмещение разрядной камеры и системы прокачки в общем объеме колбы посредством выполнения системы прокачки обрабатываемой среды в форме размещенного непосредственно в организованном заявляемым образом (например, в случае коаксиального расположения электродов при размещении внешнего электрода на внешней поверхности колбы из диэлектрика, а внутреннего электрода на внутренней, не контактирующей с рабочей средой газового разряда, поверхности колбы) разрядном промежутке канала со стенкой из прозрачного в ультрафиолетовом диапазоне спектра материала позволяет достичь высокой плотности мощности облучения обрабатываемой среды, в 3-5 раз выше по сравнению с прототипом, благодаря тому, что излучающий объем охватывает канал обработки среды со всех сторон; кроме того, это приводит к тому, что потери УФ-излучения на непрозрачных элементах конструкции, присутствующие в прототипе, исключены. Выполнение системы прокачки обрабатываемой среды в форме канала, изолированного от контакта с электродами, позволяет избежать загрязнения обрабатываемой среды, связанного с химическим взаимодействием материала электрода с обрабатываемой средой, что имеет место в прототипе.
Кроме того, введение светоотражающей поверхности между электродом и поверхностью колбы, не контактирующей с рабочей средой газового разряда, обеспеченное либо расположением на поверхности колбы слоя материала с высоким коэффициентом отражения в ультрафиолетовом диапазоне спектра, либо нанесением, например, методом напыления, на поверхность колбы электрода со светоотражающей поверхностью из проводящего электрический ток материала с высоким коэффициентом отражения в ультрафиолетовом диапазоне спектра, позволяет повысить интенсивность облучения обрабатываемой среды на порядок по сравнению с прототипом.
Помимо этого, благодаря тому, что в фотореакторе возможна реализация двухбарьерной конструкции разрядного промежутка (внутренний и внешний электроды отделены диэлектрическими барьерами от рабочей среды газового разряда), ни один из электродов не контактирует с рабочей газовой средой разряда; рабочая газовая среда разряда является полностью изолированной в объеме кварцевой колбы фотореактора. В результате появляется возможность селективного выбора рабочей среды газового разряда, которая однозначно определяет спектральный диапазон УФ-излучения, что, следовательно, позволит существенно расширить спектральный диапазон излучения газоразрядной камеры за счет использования не только инертных газов, чей диапазон излучения лежит в ВУФ (вакуумной УФ) области спектра, но и использовать в качестве рабочих смесей галоген-содержащие соединения, спектр излучения которых в барьерном разряде находится в интервале от 200 до 370 нм. Наиболее технологичным является изготовление фотореактора из кварцевого стекла, имеющего высокий коэффициент пропускания в УФ и ВУФ областях спектра. В результате, область спектра, где может быть использован фотореактор, находится в пределах от 160 до 370 нм.
Благодаря отсутствию контакта рабочей среды разряда с металлическими электродами решена проблема деградации газовой смеси разряда с течением времени эксплуатации из-за распыления материала электрода и химического взаимодействия с газовой средой. При этом длительность срока эксплуатации возрастает в несколько раз.
Вследствие того, что фотореактор размещен в заполненном трансформаторным маслом внешнем металлическом корпусе, служащим радиатором, достигается охлаждение фотореактора и исключается перегрев обрабатываемой среды и среды газового разряда.
На фигуре схематично изображен фотореактор коаксиального типа, где 1 - разрядный промежуток, 2 - канал прокачки обрабатываемой среды, 3 - внешний электрод системы электродов коаксиального типа, 4 - внешний диэлектрический барьер (внешняя стенка колбы), 5 - внутренний электрод системы электродов коаксиального типа, 6 - внутренний диэлектрический барьер (внутренняя стенка колбы), 7 - ввод обрабатываемой среды, 8 - вывод обрабатываемой среды, 9 - металлический корпус, заполненный трансформаторным маслом.
Устройство реализовано следующим образом.
Конструкция фотореактора представляет собой две образующие разрядный промежуток (поз.1) коаксиально расположенные, спаянные между собой кварцевые трубки (колба), образующие внешнюю и внутреннюю поверхности колбы и служащие диэлектрическими барьерами (поз.4, 6). На внешнюю поверхность внешней трубки и на внутреннюю поверхность внутренней трубки, не контактирующие с рабочей средой газового разряда (инертные газы, смеси инертных газов с галогенами), нанесены методом напыления алюминиевые слои, служащие электродами (поз.3, 5) и образующие светоотражающие поверхности из материала с высоким коэффициентом отражения в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Сквозь разрядный промежуток походит канал прокачки обрабатываемой среды, в частности, выполненный в виде цилиндрической спирали (поз.2) из кварцевой трубки, прозрачной в УФ-диапазоне спектра. Подача среды для обработки осуществляется через входной патрубок (поз.7), обработанная среда выводится из канала через выходной патрубок (поз.8). Возможно использовать несколько равнозначных вариантов расположения канала прокачки среды в разрядном промежутке: 1) цилиндрическая спираль ((поз.2) фиг.), 2) ряд продольных каналов по образующей цилиндра. Фотореактор размещен в заполненном трансформаторным маслом алюминиевом корпусе (поз.9), что служит системой охлаждения.
При подаче импульсного напряжения от источника питания на электроды в газовом объеме, заполненном рабочей средой, образуется неравновесная плазма барьерного разряда, являющаяся эффективным источником УФ-излучения. Это излучение проходит сквозь кварцевую стенку канала прокачки и воздействует на обрабатываемую среду.
Предлагаемое устройство позволяет повысить интенсивность облучения обрабатываемой среды на порядок, обеспечить возможность селективного выбора рабочей среды газового разряда (шире диапазон используемых рабочих сред и соответственно более разнообразны режимы облучения); расширить область применения и увеличить срок службы фотореактора, а также позволяет технологически легко решить проблемы охлаждения разрядного объема и образования озона на поверхности электродов.