Способ разделения жидких гетерогенных систем и устройство для его осуществления

 

Использование: при разделении жидких сред, содержащих гетерогенные примеси.

Сущность изобретения: очистку осуществляют путем пропускания жидких систем через колонку, содержащую дисперсный материал с размером частиц 0,1 - 3,0 Омм, обладающий неоднородной поверхностью, и поляризованный электрическим полем с напряженностью не менее 1 В/см. Устройство для разделения жидких гетерогенных систем содержит электросорбционную колонку, заполненную сорбентом не более чем на 95% объема, снабженную подводящим, отводящим и дренажным трубопроводом, причем пропускная способность дренажного трубопровода по крайней мере в 3 раза больше, чем подводящего, а отводящий трубопровод расположен в верхней части корпуса, образуя зазор между ним и сорбентом. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл.

Изобретение относится к области физико-химических средств разделения гетерогенных систем, а именно к способам и устройствам для очистки жидкости, в частности воды, от гетерогенных примесей.

Прототипом заявляемого изобретения являются способ и устройство, описанные в заявке Японии N 63-7117, 1989, в которой предлагается объединить достоинства фильтрационных и электролитических методов.

Устройство содержит корпус, в котором установлены два электрода, между которыми размещена насадка, обеспечивающая как протекание фильтрации, так и выделение при этом под действием электролитических процессов ионов металла, обеспечивающих дополнительную обработку воды за счет процессов адсорбции и флокуляции.

Недостатком прототипа является обогащение воды нежелательными веществами, необходимость доочистки от выделившихся веществ, невысокий ресурс рабочих фильтрующих элементов.

Задачей изобретения являлось создание более простой эффективной установки способа очистки жидкостей от примесей.

Задача решается с помощью способа, заключающегося в пропускании очищаемой жидкости через емкость, заполненную дисперсным непроводящим материалом, обладающим неоднородной поверхностью с размером частиц 0,1 3,0 мм, который при этом подвергается поляризации электрическим полем с напряженностью не менее 1 В/см.

Указанная минимальная напряженность поля обеспечивает эффективную очистку жидкости (воды), сильно загрязненной био- и нефтепродуктами, при ее прокачивании с объемной скоростью до 20 ч^-1. При более высоких скоростях подачи жидкости или повышенных требованиях к очищенной воде эффективная напряженность поля устанавливается, исходя из характеристик очищаемой среды.

В качестве дисперсного материала используют фрагменты или гранулы керамики, в частности сегнетокерамики, ионообменные смолы, кусочки полимерных материалов, например гранулы поливинилового спирта с включениями, кварц, песок, дисперсии целлюлозы, хитозана, шунгит и т.п.

Наличие неоднородности поверхности как химического, так и геометрического характера является необходимым для осуществления очистки жидкости, механизм которой базируется на попадании содержащихся в ней частиц при прохождении через материал в зоны с различными величинами и знаками заряда, а также усиления в жидкости неравномерности потоков.

В результате первого процесса происходит неравномерная по объему электризация неоднополярных частиц, содержащихся в жидкости, что резко усиливает их коагуляцию, а процессы, приводящие к неравномерности потоков, обеспечивают появление "застойных" зон в фильтрующем материале, где указанные конгломераты задерживаются, еще более повышая степень неоднородности материала и соответственно эффективность разделения. Это доказывается, в частности, тем, что лучшие результаты достигались при проведении разделения в поле, напряженность которого в начале работы (первые 1 10 мин) превышает рабочую более чем в 5 раз, что позволяет обеспечить оптимальное распределение заряда.

Для водных систем оптимальной скоростью прохождения счищаемой смеси через поляризуемый материал (ПМ) является 0,1 20 см/с, однако возможны отклонения от этих параметров, исходя из свойств разделяемых компонентов (например, при переходе на вязкие жидкости).

Указанные материалы могут использоваться индивидуально, в смеси между собой и в сочетании с другими традиционными материалами. Использование дисперсных частиц большего размера снижает эффективность обработки в связи с уменьшением их поверхностной площади и объема застойных зон, применение более дисперсных частиц приводит к нежелательному повышению гидродинамического сопротивления и также к уменьшению объема застойных зон.

Для реализации способа было создано устройство, схема которой приведена на чертеже.

Устройство состоит из корпуса 1, во внутренней емкости которого установлены электроды 2 и размещен поляризуемый материал (ПМ) 3, занимающий не более 95% его объема. Корпус снабжен трубопроводами 4 6, из которых трубопровод 4, снабженный вентилем 7, связан с источником воды (входной 16), трубопровод 5 (выходной) расположен выше уровня ПМ и соединяется с краном или емкостью для хранения очищенной воды 8, трубопровод 6 с вентилем 9 соединяет корпус с дренажем 10. Поляризация осуществляется с помощью блока 17.

К корпусу 1 может быть подсоединена через вентиль 12 и трубопровод 13 дополнительная емкость с регенерирующим раствором 14, в качестве которого могут использоваться растворы детергентов, растворители, щелочи, кислоты и т. д. в зависимости от свойств очищаемых жидкостей и характера примесей. На входе и выходе корпус может быть дополнительно оснащен электродными ячейками 15, предназначенными для очистки жидкости от ионизируемых примесей, деградации шламма и предотвращения уноса ПМ.

Отличительными особенностями указанного устройства наряду с помещением в корпусе объемом не более 95% от его объема материала, способного к поляризации, является установка выходного трубопровода 5 в верхней части корпуса 1 при одновременном превышении пропускной способности дренажного трубопровода над аналогичным параметром входного по крайней мере в 3 раза.

Устройство работает следующим образом.

В корпус 1 засыпается ПМ 3, подается напряжение на электроды 2, после чего жидкость через вентиль 7 и входной трубопровод 4 поступает в нижнюю часть корпуса, а затем, проходя через ПМ, заполняет полностью (или частично) верхнюю часть корпуса и поступает через выходной трубопровод 5 на потребление.

Содержащиеся в ней примеси в ходе прохождения через ПМ под действием электрического поля электризуются, коагулируют и сорбируются верхними слоями ПМ 3.

Для регенерации сорбента обычно отключают питание или переключают электроды 2 и открывают вентиль 9 трубопровода 6. При этом благодаря разнице в пропускной способности трубопроводов жидкость из трубопровода 4 поступает в трубопровод 6, а ПМ освобождается от адсорбированных загрязнений сочетанием отталкивания заряженных примесей от частиц ПМ, поменявшим знак при переключении поля электродов, с промыванием ПМ слоем надсорбентной жидкости 11 или просто их смыванием (при отключении тока).

При необходимости снизить потери жидкости при регенерации перед открытием вентиля 9 перекрывается вентиль 7. Возможна регенерация имеющейся в колонке ПМ только содержащейся в корпусе жидкостью в результате открытия вентиля 12. При этом использование меньших трубопроводов 4 и 6 или снижение объемов промывочной жидкости менее 1 10 по отношению к объему ПМ не обеспечивает иногда достаточную степень регенерации без введения специальных очищающих агентов. Последние при необходимости поступают из емкости 14 при открытии вентиля 7.

Дальнейшая эксплуатация устройства осуществляется простым перекрытием вентиля 9 и при необходимости вентиля 12 и открыванием, если он был закрыт, вентиля 7.

Указанная схема регенерации в отношении материала заявленной природы позволяет, в частности, осуществлять очистку воды по крайней мере два года без смены сорбирующего материала.

При промышленных испытаниях устройства, получившего наименование "Каскад", было показано, что при небольших размерах (вес 5 25 кг) оно позволяет проводить очистку жидкости с производительностью до 100 л/ч, обеспечивая полное удаление из воды как механических, так и практически любых органических примесей от микроорганизмов до нефтепродуктов, а также от токсических материалов до разрешенного уровня.

Кроме того, при необходимости оно может быть легко переоборудовано для получения катодной или анодной ("живой" или "мертвой") воды.

Практическая применимость способа и устройства иллюстрируется примерами.

Пример 1.

Воду, взятую из реки Нева (С.-Петербург) в районе зимней стоянки судов с глубины 5 м, пропускали через колонку, содержащую гранулы сегнетокерамики с диэлектрической проницаемостью 15000, помещенные в постоянное электрическое поле напряженностью 1 200 В/см. Объем рабочей камеры составлял 1х1х50 см³, скорость подачи воды 0,5 2500 сил/ч 0,1 50 ч^-1/, размер гранул 0,25 0,4 мм.

Анализ воды осуществлялся по мутности с помощью спектрофотометра СФ-26 фирмы ЛОМО "Россия" при λ 460 нм, а также путем высева на питательные среды с целью определения колииндекса и общей микробной обсемененности (ОМО). Высев осуществляли помещением 0,1 мл жидкости в чашки Петри с питательными средами (Эндо, мясо-пептонный агар и т.д.) и инкубацией их в течение 24 ч при 36 -38^oC.

Результаты очистки приведены в табл. 1, из которой следует, что непригодная для питья обсемененная микроорганизмами вода после указанной обработки отвечает требованиям к питьевой воде, являясь, по существу, стерильной.

Пример 2.

В условиях примера 1 с использованием в качестве насадки материала на основе Nb₂O₅ с диэлектрической проницаемостью 4000 и при E 100 В/см прокачивалась со скоростью 1 ч^-1 искусственная смесь, содержащая на 1 л водопроводной воды 100 мг смеси нефтепродуктов, состоящей из машинного масла М-5 (10% ), М-10 (10%) М-20 (10%), мазута (20%), дизельного топлива (50%).

Водно-углеводородная смесь гомогенизировалась с помощью магнитной мешалки и подавалась в электроколонку. Через каждые 30 мин пробы фильтрата анализировались с помощью лазерного спектрометра на общее содержание нефтепродуктов.

При ухудшении характеристик фильтрата через электроколонку в обратном направлении прокачивалась электропроводящая (т.е. раствор электролита) подсоленная вода, содержащая 1 4% NaCl или KNO₃ в течение 0,5 10,0 мин. Природа регенерирующего раствора на эффективность процесса практически не влияла.

Эффективность очистки воды от нефтепродуктов приведена в табл. 2 и 3.

Пример 3.

В условиях примера 1 проводили очистку морской воды Финского залива от примесей нефтепродуктов. Регенерацию осуществляли 2%-ным раствором NaCl, E 10 В/см. Полученные результаты приведены в табл. 4.

Пример 4.

В условиях примера 1, применяя сегнетокерамику на основе материала Т-10000, покрытую пленкой поливинилпирролидона толщиной 1000 имитировали вариант аварийного выброса в природный водоем сточных вод, для чего использовали суспензию клеток E. coli М-17 в концентрации 2,2·10⁹ кл./мл. После проведения очистки при E 150 В/см при скорости подачи 1 ч^-1 в пробах роста E.crli не обнаружено, что свидетельствует о полной очистке воды от микроорганизмов в данных условиях.

Пример 5.

Проводили разведение вируса гриппа A/Техас /1024 ГЕ/0,2 мл/ и балластных белков в вируссодержащей аллантоисной жидкости куриных эмбрионов (ВАЖ). Условия развеления: гранулы поливинилового спирта при их соотношении 8 1 сегнетокерамики с включением, напряженность поля 50 В/см, скорость потока 0,15 см/с, регенерирующий раствор или элюент: 0,1 М фосфатный буфер, на фоне 0,5 н. NaCl при pH 8,5. Выход активного вируса 82% что свидетельствует о полной регенерации носителя, степень очистки по белку более чем в 40 раз (0,05 мг/м белка в вирусной фракции вместо 2,1 мг/мл в исходной ВАЖ), выход белков в балластной фракции 93% Пример 6.

Проводили разделение форменных элементов крови и белков плазмы из цитратной крови за исключением того, что скорость потока 0,1 ч^-1 pH второго элюента 7,5. Условия разделения аналогичны взятым в примере 5. Выход белков 96% выход клеточной массы 78% очистка белков от клеток в 68 раз.

Пример 7.

Через электроколонку, как в примере 1, заполненную гранулами сорбента "sephadex G-15", Pharmacia Швеция, пропускали суспензию дрожжевых клеток Sach. cerevisiae в концентрации 3·10⁸ кл./мл, содержащую 30 мг/л FeCl₃. При наложении электрического поля с E 40 В/см концентрация ионов железа в фильтрате падала до уровня 1 2 мг/л. Концентрация дрожжевых клеток при этом снижалась примерно в 10⁶ раз.

Пример 8.

Через электроколонку по примеру 1, заполненную комбинированным наполнителем на основе сегнетокерамики Т-10000, пропускали сточную воду из городской системы. На выходе контролировали содержание микробных клеток и фосфатов, исходные уровни которых составляли 3·10⁷ кл./мл и 11 мг/л. При наложении электрического поля с напряженностью в диапазоне 10 50 В/см концентрация микроорганизмов снижалась до нуля, а уровень фосфатов падал до 0,2 мг/л.

Пример 9.

Через электроколонку по примеру 1, заполненную дисперсией на основе хитозана, пропускали воду, содержащую хлопья окислов в концентрации 0,5% железа и 1% CuSO₄. На выходе контролировали содержание компонентов фотометрическим и ситрометрическим методом. Осуществляли насыщение наполнителя растворенными компонентами в отсутствии поля. При наложении электрического поля с напряженностью в диапазоне 5 -20 В/см концентрация окислов железа в воде снижалась практически до нуля, а ионизированных компонентов в 9 10 раз. При снятии поля концентрация на выходе электроколонки возрастала, превышая исходный уровень, что свидетельствовало о регенерации наполнителя. При повторном наложении электрического поля эффект очистки водного раствора повторялся.

Пример 10.

Через электроколонку с дробленым шунгитом, анод которой по площади превышает катод приблизительно в 100 раз, прокачивали суспензию клеток E.coli K-12 в концентрации 5·10⁹ кл./мл. На выходе электроколонки контролировалась концентрация клеток и pH жидкости. Усредненная напряженность электрического поля устанавливалась в пределах от 50 до 200 В/см. Во всех случаях наблюдался эффект полной очистки жидкости от микробных клеток, однако pH среды зависела от электрического режима работы (см. табл. 5).

Пример 11.

Через электроколонку с измельченным кварцем прокачивали суспензию клеток Bac. thuringiensis в концентрации 2·10⁸ кл./мл. Напряженность электрического поля была установлена на уровне 10 В/см. Концентрация клеток на выходе электроколонки снижалась до 5·10⁶ кл./мл. После этого процесс очистки был повторен при следующих условиях.

В течение 1 мин между электродами колонки устанавливалось напряжение 150 В/см, а затем оно было снижено до 10 В/см, как и в первой части эксперимента. В результате на выходе электроколонки уже не наблюдалось клеток вовсе.

Пример 12.

В условиях примера 8 через электроколонку пропускали сточную воду из городской канализационной системы. На входе и выходе электроколонки устанавливались идентичные электродные ячейки с эффективной площадью электродов 1200 см² при объеме 50 см³. Ячейки подключались к источнику электропитания параллельно электроколонке. Дополнительно к примеру 8 контролировалось количество шламма в дренаже (на 1 л очищенных стоков), хлоридов и нитратов в фильтрате. Результаты приведены в табл. 6.

Формула изобретения

1. Способ разделения жидких гетерогенных систем, включающий в себя пропускание жидкости через фильтрующий материал, помещенный в электрическое поле, отличающийся тем, что жидкость пропускают через дисперсный материал с размером частиц 0,1 3,0 мм, обладающий неоднородной поверхностью и помещенный в знакопостоянное электрическое поле с напряженностью не менее 1 В/см.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего материала используют сегнетокерамику.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего материала используют песок или измельченный кварц.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего материала используют шунгит.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фильтрующего материала используют дисперсии на основе хитозана или смол.

6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что в начале разделения в течение 0,5 10 мин используют электрическое поле с напряженностью, более чем в 5 раз превышающей рабочее значение.

7. Устройство для разделения жидких гетерогенных систем, состоящее из корпуса, содержащего установленные в нем электроды, подсоединенные к источнику постоянного тока, и фильтрующий материал, а также системы трубопроводов, включающей подводящий и отводящий трубопроводы, отличающееся тем, что фильтрующий материал в виде дисперсных частиц с неоднородной поверхностью из поляризуемого материала помещен в корпус в количестве не более 95% его объема, отводящий трубопровод расположен в верхней части корпуса, обеспечивая зазор между ним и верхним слоем фильтрующего материала, а ниже нижней части фильтрующего материала корпус оборудован трубопроводом, связанным с дренажом, имеющим пропускную способность, не менее чем в 3 раза более высокую, чем подающий трубопровод.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно дополнительно оборудовано емкостью с регенерационным раствором, связанной трубопроводом, оснащенным вентилем, соединяющим емкость с верхней частью корпуса.

9. Устройство по пп.7 и 8, отличающееся тем, что на входе и выходе корпуса дополнительно установлены электродные ячейки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4