УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТЕЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Изобретение относится к устройствам для обработки жидкостей и может быть использовано в коммунальном хозяйстве, медицине, пищевой промышленности и других отраслях промышленности для обеззараживания жидкостей, очистки промышленных и бытовых сточных вод.
Известно, что оптическое излучение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра разлагает органику как природного (вирусы, бактерии), так и техногенного (бытовые и промышленные стоки, продукты промежуточных реакций в технологических циклах) происхождения. Поэтому для обработки растворов органических веществ используются реакторы различных типов.
Например, известны устройства, так называемые реакторы погружного типа, состоящие из лампы (или нескольких ламп), помещенной в камеру с обрабатываемой жидкостью и находящейся с ней в контакте [1, 2].
Эти устройства получили широкое распространение благодаря простоте ввода излучения в жидкость.
Общим недостатком таких устройств является постепенное загрязнение оболочки лампы продуктами фотолиза жидкости, потеря прозрачности оболочки лампы и, соответственно, необходимость контроля за состоянием лампы, обусловленная требованиями к надежности устройства.
Чтобы исключить указанный вредный фактор, лампы, например, эксплуатируют в прозрачных для УФ излучения кожухах [3, 4]. Это дополнительно позволяет поддерживать стабильную температуру поверхности лампы, что часто необходимо для стабильности ее светового потока. Однако кожух также нуждается в очистке, его применение усложняет и удорожает конструкцию и ее техническое обслуживание. Кроме того, известно, что вакуумное ультрафиолетовое излучение (ВУФ) в диапазоне длин волн 100-180 нм по сравнению с УФ излучением в диапазоне длин волн 200-400 нм позволяет в на порядок увеличить скорость разложения растворенной в жидкости органики и/или позволяют разлагать вещества, которые нельзя разложить прямым фотолизом УФ излучением [5]. С другой стороны ВУФ излучение сильнее поглощается жидкостью, что уменьшает обрабатываемый объем, на который действует излучение. Поэтому следует дополнительно усовершенствовать использование лампы ВУФ диапазона спектра в фотореакторах погружного типа. Отдельным недостатком описанных погружных устройств является их полная или частичная непригодность для обработки жидкостей с большим коэффициентом поглощения.
Известны устройства, состоящие из лампы (или нескольких ламп), помещенной в камеру с обрабатываемой жидкостью и расположенной над поверхностью облучаемой жидкости [6-8]. В этом случае поверхность лампы не контактирует с облучаемой жидкостью, что снимает необходимость в использовании и обслуживании кожухов.
Недостатком таких устройств является необходимость использования дополнительных отражателей для сбора излучения на поверхности жидкости и, как следствие, потери излучения и снижение технической эффективности установки в целом. В этом случае, также как и для фотореакторов погружного типа, неэффективно использование ВУФ ламп.
Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является решение, в котором облучению подвергается тонкий слой жидкости, стекающий по стенкам прямоугольной камеры, а лампы расположены внутри и горизонтально вдоль облучаемых поверхностей [9]. К достоинству устройства относится возможность эффективной обработки суспензий, гелей, масел и жидкостей с большим коэффициентом поглощения (мутные среды). Недостатком является меньшая в сравнении с фотореакторами погружного типа производительность установки. Для ее увеличения, например, используют дополнительные окислители, например, перекись водорода, которую вводят в облучаемую жидкость [9], но это ведет к удорожанию устройства и увеличению затрат на его обслуживание. Кроме того, это устройство неспособно очищать жидкость от оптически прозрачных в УФ диапазоне спектра веществ, например, метанола.
Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности обработки жидкостей с большим коэффициентом поглощения и снижение технических затрат на эксплуатацию фотореактора за счет отказа от использования от дополнительных окислителей.
Поставленная задача достигается за счет того, что в известном устройстве для обработки жидкостей, состоящем из вертикально расположенной камеры, по внутренней поверхности стенок которой равномерно распределена облучаемая стекающая жидкость и ультрафиолетовой лампы для облучения жидкости и, согласно техническому решению, камера выполнена герметичной в форме цилиндра, в центре которой и параллельно оси расположена лампа ВУФ диапазона спектра, а камера заполнена газом, оптически прозрачным для ВУФ излучения.
Кроме того, камера дополнительно имеет внутренние боковые перегородки со стекающей жидкостью и дополнительно размещенными лампами, обеспечивающие максимальное облучение жидкости.
Это увеличивает эффективность обработки, поскольку излучение ВУФ лампы транспортируется к облучаемой жидкости через оптически прозрачный в ВУФ диапазоне спектра газ.
Кроме того, при небольших добавках воздуха или кислорода к газу, оптически прозрачному для ВУФ излучения, ВУФ-излучение дополнительно создает в камере озон, который также усиливает процессы разложения органических веществ, содержащихся в жидкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых (фиг.1) схематически представлены варианты конструктивного исполнения предлагаемого устройства для обработки жидкостей.
Устройство состоит из корпуса 1, ВУФ лампы 2, патрубка для подачи жидкости 3 через систему 4 для равномерного распределения жидкости по боковой внутренней стенке камеры, патрубков 5 и 6 для подачи и удаления газа из объема 7, соответственно, и патрубка для слива обработанной жидкости 8.
Дополнительно камера может содержать внутренние боковые перегородки со стекающей жидкостью и несколько ВУФ ламп, что обеспечивает максимальное облучение жидкости.
Устройство работает следующим образом:
В корпус 1 через патрубок 3 подается жидкость для обработки. При помощи системы 4 для равномерного распределения жидкости по внутренней боковой поверхности корпуса 1 жидкость стекает тонким слоем, подвергаясь обработке излучением одной или нескольких ламп 2, вытекая из камеры через патрубок 8. Чтобы излучение лампы эффективно действовало на воду, свободный объем камеры 7 через патрубки 5 и 6 во время обработки заполняется прозрачным для ВУФ излучения газом, например аргоном. Благодаря тому, что облучается тонкий слой жидкости, возможна эффективная обработка мутных сред. При движении по стенке жидкость перемешивается, что обеспечивает полный доступ излучения к облучаемому веществу - в облучаемом тонком слое. Дополнительно жидкость облучается не только на стенке, но и на дне камеры. Все это увеличивает эффективность обработки жидкости, особенно жидкостей с большим коэффициентом поглощения. Благодаря заполняющему камеру газу излучение ВУФ лампы без потерь достигает облучаемой жидкости. Излучение в диапазоне длин волн 100-180 нм, в отличие от УФ излучения, позволяет осуществлять сразу два фотолитических процесса. Это, во-первых, прямой фотолиз растворенных в жидкости органических веществ. Во-вторых, это осуществляющийся при использовании ламп с длинами волн излучения λ<190 нм ВУФ фотолиз воды, которая чаще всего является растворителем в обрабатываемых жидкостях. Поскольку концентрация растворенных в воде веществ обычно сравнительно невелика, это излучение поглощается главным образом самой водой и, соответственно, энергия ВУФ излучения тратится главным образом на гомолиз воды:
2
2
•
•
НO+hν→НO∗→Н+ОН.
Далее загрязнитель (органика природного или техногенного происхождения) реагирует с образовавшимися радикалами и происходит его минерализация:
n
m
z
2
2
2
CHX(hν,O)→nCO+(m-z)/2НO+zHX,
2
2
4
3
где X - гетероатомные органические молекулы, которые трансформируются в соответствующие минеральные кислоты НХ (HNO, HSO, НСl, HNO и т.д.).
При небольших добавках воздуха или кислорода к газу, оптически прозрачному для ВУФ излучения, ВУФ-излучение дополнительно создает в камере озон, который также усиливает процессы разложения органических веществ, содержащихся в жидкости. Добавки воздуха или кислорода не должны быть такими, чтобы существенно уменьшить транспортировку ВУФ излучения лампы к облучаемому слою жидкости.
Таким образом, предлагаемое решение - обработка тонкого слоя и создание благоприятных условий для взаимодействия ВУФ излучения с жидкостью - дает совместный качественный эффект, что увеличивает как скорость, так и эффективность обработки жидкости, особенно жидкостей с большим коэффициентом поглощения или жидкостей, имеющих сравнительно слабое поглощение в диапазоне длин волн 200-400 нм. По сравнению с аналогами решение обеспечивает снижение технических затрат на эксплуатацию фотореактора.
Пример исследования функциональной способности предлагаемого устройства для обработки жидкостей.
2
Для испытаний были взяты растворы метанола при концентрации 50 г/л (производство «ФиКС» ОАО «ТНХЗ») в дистиллированной воде. Концентрацию метанола определяли по гостированной фотометрической методике (ОАО «Томскгеомонито-ринг»). Облучение обычными ультрафиолетовыми лампами, излучающими в диапазоне длин волн 200-400 нм раствора метанола неэффективно, поскольку метанол в указанном диапазоне является оптически прозрачным. Поэтому для облучения была использована ВУФ лампа на димерах ксенона Хе∗ с максимумом излучения на λ=172 нм. На этой длине волны и в ее окрестности, как метанол, так и вода имеют сильное поглощение.
Облучение проводили двумя путями.
-1
2
Первый состоял в погружении лампу в раствор. Поскольку вода имеет большой коэффициент поглощения ВУФ излучения (α=550 см на 172 нм), полное поглощение излучения водой достигается на длине 0.036 мм. Поэтому при облучении раствора Хе-лампой в реакторе погружного типа создается ситуация, когда основной объем раствора не подвергается действию излучения, требуется длительная обработка, и только длительное перемешивание раствора, подвергаемого облучению, позволяет действовать на весь объем жидкости. Это удлиняет процедуру обработки.
2
Во втором случае обработка осуществлялась согласно предложенному техническому решению. Толщина облучаемого слоя составляла примерно 1 мм, а площадь облучаемой поверхности около 100 см. В этом случае 80% снижение концентрации метанола в растворе происходило за время в 4-5 раз меньшее, чем в случае погружного реактора. Процедура не требовала барботирования и перемешивания жидкости, что требуется при использовании ВУФ эксиламп в реакторах погружного типа.
Таким образом, на примере водного раствора метанола продемонстрирована эффективность облучения в предложенном нами устройстве. Устройство является сравнительно простым, не требует применения дополнительных окислителей и представляется перспективным для внедрения в практику.
Литература
1. Dielectric barrier discharge-driven (V)UV light source for fluid treatment // US patent 2002/0089275 A1; H01J 11/00, H01J 61/06, H01J 1/02; Pub. date: Jul. 11, 2002.
2. Treatment system comprising a dielectric barrier discharge lamp // WO patent 2006/079982 A1; H01J 61/00; Pub. date: Jan. 25, 2006.
3. System and processes for disinfecting liquids // WO patent 2007/126864 A1; C02F 1/32; Pub. Date: March 27, 2007.
4. Sterilizing device and a method for sterilizing of fluids // WO patent 2005/102401 A2; C02F 1/32; Pub. date: April 20, 2007.
5. Oppenländer T. Photochemical Purification of Water and Air. Weincheim: WILEY-VCH Verlag, 2003. - 368 p.
6. Method and apparatus for UV-oxidation of toxics in water and UV-desinfection of water//CA patent 2000/2300775; B01J 19/12; B01J 19/24; C02F 1/32; Pub. date: Sept. 17, 2000.
7. UV water disinfector // WO patent 1998/05367 A1; A61L 2/10; Pub. date: Feb. 12, 1998.
8. Ultraviolet wastewater disinfection system and method // WO patent 2002/055438 A2; C02F; Pub. date: July 18, 2002.
9. Debus O. Licht reeinigt Wasser, Chemikalienfreie Oxidation chlororganischer Ab-wasserinhaltsstoffe // Chem. Tech. - 2000. - 29. - No.6. - P.40-42.