ОЧИСТКА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ
PURIFICATION OF FOULED FLUIDS

Настоящее изобретение относится к изделиям для очистки загрязненной жидкости путем контакта с материалом адсорбента. В частности, но не исключительно, оно применяется для очистки жидкостей для удаления органических загрязнителей. В нем используется технология, описанная в международных патентных публикациях WO 2007/125334 и WO 2008/047132, в неопубликованной международной заявке на патент GB 07/20429.0 и в неопубликованной заявке на патент Великобритании 0823165.6, все из которых поданы заявителем по настоящей заявке. Все содержание этих опубликованных и неопубликованных документов настоящим включено в нижеследующее описание путем отсылки.
В устройствах для очистки жидкости широко используются материалы адсорбента. Такие материалы на основе углерода особенно полезны и при пропускании через них электрического тока способны к регенерации. Применение адсорбентов на основе углерода для очистки загрязненной воды описано в нижеследующих работах, опубликованных Институтом науки и технологии Манчестерского университета (теперь - Манчестерский университет) в 2004 году, и настоящим включенных в нижеследующее описание путем отсылки:
Electrochemical regeneration of carbon-based adsorbent loaded with crystal violet dye by N W Brown, E P L Roberts, A A Garforth and R A W Dryfe
Electrochemica Acta 49 (2004) 3269-3281
Atrazine removal using adsorption and electrochemical regeneration by N W Brown, E P L Roberts, A Chasiotis, T Cherdron and N Sanghrajka
Water Research 39 (2004) 3067-3074
Настоящее изобретение относится, в частности, к очистке индивидуальных количеств воды в партии, а не к непрерывному процессу очистки. Согласно настоящему изобретению в способе удаления загрязнителей из некоторого количества жидкости жидкость подают в очистной резервуар, содержащий материал адсорбента на основе углерода, способный к электрохимической регенерации и находящийся на дне резервуара в форме слоя материала. Этот слой в течение некоторого периода времени перемешивают для распределения материала адсорбента в жидкости и адсорбции из нее загрязнителя, а по окончании этого периода времени перемешивание прекращают, давая материалу осесть в слой. Во время периода осаждения адсорбент отделяется от жидкости. Степень отделения зависит от длительности выделенного периода. Затем адсорбент регенерируют, во время или после осаждения, пропуская через слой электрический ток, чтобы освободить из адсорбента газообразные продукты, полученные из загрязнителя, в форме пузырьков, поднимающихся вверх через не содержащую загрязнителя жидкость в резервуаре, которую затем удаляют. Разумеется, жидкость можно удалить до того, как адсорбент будет окончательно регенерирован. На разных этапах периода регенерации ток можно регулировать. Например, в начале периода регенерации осаждается лишь очень тонкий слой адсорбента, поэтому требуется меньший ток, чем позднее, когда осядет существенный слой адсорбента.
В способе по настоящему изобретению адсорбция происходит внутри зоны регенерации и внутри зоны адсорбции, что позволяет создать компактное и потенциально мобильное устройство. Это также позволяет увеличить зону регенерации. Увеличение размера электродов было бы полезным для очистки жидкости, содержащей загрязнитель в высокой концентрации.
Особым преимуществом вышеописанного способа является то, что он позволяет выбирать цикл очистки для конкретной очищаемой жидкости. Способ позволяет повторять этапы перемешивания адсорбента и его осаждения, и регенерации адсорбента, удаляя большее количество загрязнителя из жидкости перед ее извлечением. Другими словами, степень очистки жидкости можно контролировать и соответственно адаптировать способ. Следует также понимать, что относительные размеры зон регенерации и адсорбции можно изменять в соответствии с требуемой степенью очистки. Количество адсорбента, вводимого в бак, можно адаптировать к типу и количеству загрязнителя, присутствующего в жидкости. Способность модифицировать способ, количество адсорбента и относительные размеры зон адсорбции и регенерации позволяет создать весьма гибкий процесс.
К предпочтительным материалам для использования в способе по настоящему изобретению относится не вспученный интеркалированный графит, предпочтительно в форме порошка или хлопьев. Материал может содержать только не вспененный интеркалированный графит, или смесь такого графита с одним или более других материалов адсорбента, как описано в поданной одновременной заявке того же заявителя под названием "Адсорбенты для очистки загрязненной жидкости". Отдельные частицы адсорбента сами могут содержать смесь более чем одного материала адсорбента.
В способах по настоящему изобретению слой адсорбирующего материала обычно перемешивают, подавая текучую среду в основание слоя. Текучей средой обычно является газ, например, воздух, но в некоторых случаях можно использовать жидкость. Жидкость может быть нейтральной, такой как вода, или может быть всей или частью самой загрязненной жидкости, которая подается в резервуар. Другими словами, загрязненную жидкость можно подавать в очистной резервуар как часть процесса перемешивания, по меньшей мере на начальном этапе очистки. Если требуется последующий этап очистки, можно использовать другую перемешивающую текучую среду, например воздух. Перемешивающая текучая среда при необходимости сама может содержать очищающий компонент или очищаемый компонент.
Устройство для выполнения способа по настоящему изобретению может иметь простую конструкцию, позволяющую выполнять этапы способа. Устройство содержит резервуар для жидкости, имеющий верхнюю и нижнюю секции. Резервуар содержит сыпучий адсорбирующий материал, предпочтительно указанного выше типа, обладающий способностью к электрохимической регенерации и в форме слоя, опирающегося на дно резервуара в его нижней секции. Для перемешивания слоя для распределения частиц в жидкости, содержащейся в резервуаре, включая его верхнюю секцию, имеется перемешивающее устройство, а на противоположных сторонах нижней секции установлены электроды для подачи электрического тока через слой частиц. Перемешивающее устройство обычно содержит камеру, расположенную под слоем, имеющую выпускные отверстия, направленные в слой, находящийся сверху от нее, и средство для подачи текучей среды под давлением через отверстия в слой для распределения частиц слоя. Типично перемешивающее устройство содержит множество форсунок, например, в форме коллектора, для направления текучей среды под давлением вверх в слой частиц. Он может быть выполнен в форме камеры с расположенной сверху пористой пластиной. Перемешивающее устройство может быть оснащена средством, соединяющим ее с внешним источником текучей среды под давлением, но может быть независимой за счет установки источника текучей среды под давлением на самом перемешивающем устройстве. Это позволяет устанавливать перемешивающее устройство в имеющийся резервуар для очистки загрязненной жидкости на месте. Если габариты перемешивающего устройства совместимы с таким резервуаром, его можно установить в резервуар и поверх него сформировать слой частиц, после чего залить загрязненную жидкость сверху или снизу относительно слоя частиц.
Может иметься дополнительное средство для перемешивания содержимого резервуара, выполненное в форме механического смесителя, выполняющего дополнительную функцию предотвращения коагуляции материала адсорбента и очищаемой жидкости. Коагуляция может стать проблемой, поскольку в этом случае захватываются перемешивающие пузырьки, уменьшая плотность материала адсорбента и заставляя его всплывать. Это снижает эффективность адсорбции и может привести к неполной сепарации. Такая проблема может являться следствием присутствия в очищаемой жидкости поверхностно-активного вещества или нефти. В предпочтительном варианте изобретения смеситель расположен внутри верхней секции резервуара и прикреплен к крышке, если она используется; однако он может быть расположен в любом месте секции адсорбции резервуара. Механический смеситель также можно использовать для псевдоожижения слоя в качестве альтернативы применению текучей среды под давлением. Это может потребоваться, когда загрязненная жидкость имеет природу, которая не допускает применения пузырьков, например, является вспенивающим агентом или веществом с высокой летучестью.
Резервуар устройства по настоящему изобретению имеет по существу равномерное горизонтальное сечение, а слой частиц адсорбента проходит по всему сечению. Однако сечения верхней и нижней секций резервуара не должны быть одинаковыми, и, в частности, для относительно небольшого количества загрязненной жидкости слой материала адсорбента можно определить в нижней секции меньшего сечения, чем верхняя секция, и в которую течет адсорбирующий материал по мере осаждения. В этом варианте резервуар может иметь форму бункера с промежуточной секцией между верхней и нижней секциями, вокруг которой стенка или стенки резервуара сходятся к нижней секции, в которой сформирован слой адсорбента.
Резервуар может быть закрыт крышкой (не показана) для повышения давления, при котором происходит процесс перемешивания, что повышает эффективность адсорбции. Для поддержания нужного давления в реакционной камере потребуется установка одного или более клапана, позволяющего управлять выпуском газов, генерируемых или используемых в процессе.
При выполнении способа по настоящему изобретению, когда перемешиваемому слою материала адсорбента дают осесть, он регенерирует при пропускании через слой электрического тока. Этот ток создают путем подачи напряжения между электродами на противоположных сторонах слоя. Обычно сечение слоя или нижней секции резервуара является квадратным или прямоугольным, а электроды расположены на противоположных сторонах нижней секции. Вдоль каждой из сторон можно установить множество электродов. Например, в резервуаре, имеющем равномерное правильное сечение 200×100 см, вдоль каждой из длинных сторон можно установить 30 электродов. Множество электродов можно установить горизонтально, чтобы подавать разный ток на разной высоте слоя во время регенерации.
Настоящее изобретение может быть адаптировано для удаления загрязнений из загрязненного газа. В этом варианте способ содержит этапы, на которых подают жидкость в очистной резервуар, содержащий материал адсорбента на основе углерода, обладающий способностью к электрохимической регенерации, в форме слоя частиц на дне резервуара, и подают загрязненный газ в слой материала адсорбента для перемешивания слоя и распределения материала адсорбента в жидкости и адсорбции загрязнителя из загрязненного газа. Очищенный газ пропускают через жидкость. Затем перемешивание останавливают и дают слою материала осесть, и адсорбент регенерируют, пропуская через слой электрический ток для высвобождения из адсорбента газообразных продуктов, полученных из загрязнителя, в форме пузырьков, поднимающихся сквозь жидкость в резервуаре. Соответствующие газы затем можно собирать отдельно или выпускать в атмосферу. Понятно, что для этого процесса можно применять по существу то же устройство, которое было описано выше.
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг.1 - вид в перспективе устройства по варианту настоящего изобретения.
Фиг.2 - вид сверху дна резервуара по фиг.1, на котором находится слой адсорбента.
Фиг.3 - вид в перспективе устройства для поддержки псевдоожиженного слоя в устройстве по настоящему изобретению.
Фиг.4 - вид в перспективе альтернативной формы устройства по настоящему изобретению.
Фиг.5 - вид сверху альтернативного дна резервуара по фиг.1, ниже уровня распределительной плиты и иллюстрирующий альтернативное расположение регенерирующих электродов.
Фиг 6 и 7 - иллюстрация применения множества ячеек на дне устройство по настоящему изобретению.
На фиг.1 показан простой бак 2 прямоугольного горизонтального сечения. В нижней секции 4 бака слой сыпучего материала адсорбента опирается на плиту 6. Под плитой 6 находится камера 8 для приема ожижающей текучей среды, например, воздуха, из входной трубы 10.
На фиг.2 показано горизонтальное сечение нижней секции 4 бака 2, более конкретно, показана плита 6 и входная труба 10. На фиг.2 также показаны отверстия 12 в плите для прохода ожижающей среды из расположенной ниже камеры 8. На противоположных длинных сторонах плиты 6 расположены две группы 14 электродов 16. Слой материала адсорбента опирается на плиту 6 в пределах стенок контейнера 2 между группами 14 электродов 16.
Адсорбирующий материал, используемый в настоящем изобретении, основан на углероде и применяется в сыпучей форме, которая легко позволяет создать псевдоожиженный слой в жидкости. Предпочтительные адсорбенты описаны в упомянутых выше патентных публикациях и заявках. При использовании устройства по фиг.1 и 2 загрязненную жидкость заливают в бак 2, который нормально открыт сверху. Материал адсорбента затем псевдоожижают, подавая соответствующую среду через вход 10 для распределения материала адсорбента по объему загрязненной жидкости, находящейся в баке. Адсорбент забирает из жидкости загрязнитель, который прикрепляется к поверхности частиц адсорбента. По истечении заранее определенного периода времени поток ожижающей среды останавливают, в результате чего материал адсорбента осаждается на плиту 6 между группами 14 электродов 16. На этом этапе очищенную жидкость можно удалить через выпускной патрубок 18, но ее удаление можно и отложить. Если степень очистки можно измерить, и если достигнутая степень очистки достаточна, жидкость можно удалить. Если требуется дальнейшая очистка, жидкость остается в баке 2.
При необходимости можно дополнительно перемешивать жидкость в верхней секции бака 2 с помощью механической мешалки, обозначенной позицией 15. Она может быть обычной лопастной мешалкой, которой обычно будет достаточно, если она будет работать вместе с ожижающей средой, подаваемой через плиту 6. Если она будет единственным перемешивающим механизмом, то ее можно установить в слое или под слоем, чтобы направлять материал адсорбента в верхнюю секцию, однако ее можно установить и в самой верхней секции. Если мешалка установлена на поверхности жидкости в резервуаре, ее можно использовать для [разбиения] коагулированных частиц.
Независимо от того, была ли удалена очищенная жидкость, материал адсорбента в слое, опирающемся на плиту 6, теперь можно регенерировать. Это осуществляется пропусканием электрического тока через материал слоя между электродами 16. При этом высвобождаются адсорбированные загрязнители в форме углеродсодержащих газов и воды. Газы выходят либо через открытую верхнюю часть бака 2, либо, если эта верхняя часть закрыта, через отдельный коллектор 20, возможно для последующей переработки. Если очищенная жидкость остается в баке, высвобождающиеся газы просто проходят сквозь нее в форме пузырьков. Загрязненная жидкость, остающаяся в баке после регенерации материала адсорбента, разумеется, может подвергаться дальнейшей очистке повторным ожижением слоя для распределения частиц адсорбента по жидкости. Такая последовательность может повторяться, и после каждого цикла степень очистки жидкости можно контролировать.
В устройстве по фиг.1 слой материала адсорбента, средство для ожижения слоя для распределения материала по жидкости и электроды для регенерации адсорбента после очистки интегрированы в конструкцию бака. Однако следует понимать, что бак является мобильным очистным устройством, которое можно перемещать между рабочими площадками, на которых очистке подлежит одна или более партия жидкости, но на которых постоянная очистная установка не нужна. Если на площадке уже имеется подходящий бак, то он уже представляет собой очистную систему. Слой материала адсорбента и механизм его ожижения можно доставлять отдельно. Такая система показана на фиг.3 и содержит, как показано на чертеже, те же элементы, которые имеются в нижней секции бака 2 по фиг.1, за исключением впускного патрубка 10 для ожижающей среды. Он заменен трубой 22, которая может проходить через верхнюю часть имеющегося на месте контейнера для соединения с источником ожижающей среды. При использовании система, показанная на фиг.3, устанавливается в нижней секции бака с уплотнениями между границами 24 и группами 14 электродов с одной стороны и стенками бака с другой, после чего на плиту 6 между группами 14 электродов укладывают слой материала адсорбента. Затем в бак подают загрязненную жидкость и проводят ее очистку, как описано выше. По завершении очистки бак, в котором проводилась обработка, можно опорожнить, а систему извлечь вместе с материалом адсорбента на плите 6 или без него.
На фиг.4 показано альтернативное устройство по настоящему изобретению, которое пригодно для обработки меньших количеств загрязненной жидкости, например, для проведения экспериментов. Элементы этого устройства по существу аналогичны элементам устройства по фиг.1 и 2, но сечение нижней секции 26 бака 28 меньше, чем сечение верхней секции 30. В процессе очистки материал адсорбента на плите 6 ожижается таким же способом, путем подачи аналогичной среды через входной патрубок 10, а когда подача ожижающей среды прекращается, материал адсорбента направляется обратно в нижнюю секцию 26 сходящимися стенками 30 контейнера. В расширенной верхней зоне может потребоваться дополнительное перемешивание, если эта зона существенно больше нижней секции, и такое перемешивание можно осуществлять дополнительными мешалками.
На фиг.5 показан другой вариант настоящего изобретения, в котором множество электродов можно установить рядом друг с другом параллельными ячейками. Подача напряжения на внешние электроды 34 и 36 поляризует промежуточные электроды 32, поэтому между внешними катодом 34 и анодом 36 по существу присутствует последовательность чередующихся катодов и анодов. Такое применение биполярных электродов облегчает многократное генерирование одного тока с пропорциональным увеличением напряжения. Это дает преимущество, заключающееся в повышении напряжения для получения большего тока в материале адсорбента в секциях слоя между электродами, чем можно было бы получить простым повышением напряжения на слое в целом. Расстояние между электродами может составлять до 25 мм. Этого достаточно, чтобы напряжение ячейки удерживать на приемлемом уровне без возникновения блокировки материала адсорбента и выпускать высвобождаемые загрязнители в форме пузырьков.
В зоне регенерации устройства по настоящему изобретению катод обычно располагается в отдельном отсеке, определенном пористой мембраной или тканевым фильтром, защищающим его от прямого контакта с материалом адсорбента. Пористая мембрана позволяет прокачивать католит через отсек, что позволяет контролировать уровень рН, а также охлаждать зону регенерации, отводя из нее теплоту.
Устройство по настоящему изобретению может содержать одну ячейку или множество ячеек. На фиг.6 показано расположение ячеек рядом друг с другом с одной полярностью. На фиг.7 показана непрерывная линия с противоположной полярностью для предотвращения чрезмерного потребления тока. В каждом из расположений по фиг.6 и 7 соответствующие внешние электроды должны быть включены параллельно.