Способ очистки сточной и загрязненной питьевой воды и устройство для его осуществления

 

Область использования: обработка воды методом окисления загрязняющих ее примесей, применяется для очистки сточной и питьевой воды. Сущность изобретения: очистка воды, содержащей загрязняющие органические примеси, основана на окислении их возбужденным кислородом, полученным путем введения в воду гетерогенного фотосенсибилизатора (ГФС) с последующим облучением его видимым светом, заключается в том, что фотосенсибилизатор наносят на разветвленную поверхность пористой проницаемой основы и одновременно с облучением осуществляют движение воды по ее каналам. Устройство для очистки воды, загрязненной органическими примесями, содержит источник с очищаемой водой, источник кислорода, насыщающий эту воду, насос для перекачки воды, проточную камеру, пористую проницаемую основу с нанесенным на ее поверхность фотосенсибилизатором и источник видимого света. Основа выполнена либо в виде шариков из полимерного материала, либо в виде ткани или волокон из полимерного материала, либо стеклоткани. Проточная камера образована двумя соосными цилиндрическими стенками, причем внутренняя стенка камеры выполнена из прозрачного для видимого света материала, а наружная может быть светоотражающей. Источник света устанавливается на оси камеры. Устройство и способ обеспечивают повышение скорости очистки воды. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Настоящее изобретение относится к области технологий обработки воды, загрязненной органическими примесями, методом окисления возбужденным кислородом и может быть применено для очистки питьевой и сточных вод в системах водопользования.

Загрязнение водных источников промышленными и бытовыми отходами требует специальной обработки воды перед потреблением ее в системах водопользования. В настоящее время общепринятой считается многоступенчатая система очистки воды. На первом этапе системой фильтров удаляют твердые осадки. На втором этапе из воды удаляются легкоразложимые загрязняющие вещества. На третьем этапе проводят основную очистку воды.

Как правило, большинство методов третичной обработки воды недостаточно эффективны и применимы лишь для ограниченного класса загрязняющих веществ.

Известен способ обработки сточных вод по методу каталитической высокотемпературной очистки, применимый для окисления вредных органических примесей в водах, содержащих до 30 г/л органических примесей, таких как фенол, ацетон, изопропиловый спирт и т.д. В качестве катализаторов используют медно-хромовый, никель-хромовый, никель-алюминиевый сплавы. Недостатком этого способа является нестабильность работы катализатора, большой расход воздуха при недостаточной эффективности очистки и разрушение катализатора при длительной его эксплуатации.

Известен способ обработки питьевой и сточных вод по методу окисления загрязняющих примесей, заключающийся в эжекции кислородсодержащего газа в проточную камеру и организации его интенсивного перемешивания с очищаемой водой. Недостатком способа является его недостаточная эффективность, связанная с использованием относительно слабого окислителя.

Известен способ обработки питьевой и сточных вод озоном. Озон окисляет органические примеси в водной среде. Недостатком способа является его дороговизна, связанная со сложной конструкцией установки, с потреблением большого количества электрической энергии, использованием мощных источников тока высокого напряжения и высокой коррозионной активностью озона.

Известен способ обработки воды, содержащей органические примеси, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в окислении примесей возбужденным кислородом, полученным путем введения в воду гетерогенного фотосенсибилизатора (ГФС) с последующим облучением его видимым светом. Недостатком данного способа является малая скорость очистки воды от органических примесей, связанная с медленной доставкой примесей и растворенного кислорода (диффузия) к поверхности ГФС.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении скорости очистки воды от органических примесей за счет увеличения реакционной поверхности ГФС и доставки растворенных органических примесей и кислорода к реакционной поверхности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе очистки воды от органических примесей, заключающемся в окислении примесей возбужденным кислородом, полученным путем введения в воду гетерогенного фотосенсибилизатора с последующим облучением его видимым светом, отличительным является то, что фотосенсибилизатор наносят на разветвленную поверхность пористой проницаемой основы и одновременно с облучением осуществляют движение воды по ее каналам.

Устройство для осуществления заявляемого способа, содержащее источник воды, загрязненной органическими примесями, источник кислорода, гетерогенный фотосенсибилизатор и источник видимого света, отличается тем, что дополнительно содержит проточную камеру и помещенную в воду пористую проницаемую основу, а фотосенсибилизатор нанесен на разветвленную поверхность пористой проницаемой основы. Устройство дополнительно содержит насос для перекачки воды. Проточная камера образована двумя соосными цилиндрическими стенками, причем источник видимого света установлен на оси камеры, а внутренняя стенка камеры выполнена из материала, пропускающего видимый свет. Наружная стенка камеры покрыта отражающим свет материалом. Пористая основа выполнена в форме мелких шариков из полимерного материала, либо в виде ткани из полимерного или синтетического материала, либо стеклоткани. В качестве фотосенсибилизатора используется один из органических красителей бенгальский розовый, метиленовый голубой, эозин, а в качестве источника кислорода - воздух. В качестве источника света служит одна либо несколько узкополосных ламп, спектр излучения которых перекрывает спектр поглощения фотосенсибилизатора.

Наличие фотосенсибилизатора на разветвленной поверхности пористой проницаемой основы и осуществление движения воды по каналам основы с одновременным облучением фотосенсибилизатора видимым светом сопровождается возбуждением растворенного в воде кислорода на всей разветвленной поверхности основы и окислением органических примесей, растворенных в воде. Проницаемая пористая основа с разветвленной поверхностью характеризуется малым проходным сечением ее каналов. При движении воды в узких каналах основы в каждый момент времени молекулы примеси будут находиться от фотосенсибилизатора, на поверхности которого генерируется возбужденный кислород, не далее чем на половине расстояния между стенками отдельного канала. При небольших поперечных размерах каналов основы вероятность окисления органических примесей резко возрастает, из-за ускорения доставки молекул примеси к поверхности фотосенсибилизатора время взаимодействия возбужденного кислорода с органическими молекулами составляет от единиц до десятков наносекунд, например, для фенола это время составляет ≈ 1 нс, а время жизни возбужденного кислорода в воде составляет ≈ 3 мкс.

Как показали исследования, проведенные авторами изобретения, скорость окисления органических примесей при фиксированной мощности облучения видимым светом существенно возрастает, если характерный размер сечения проходных каналов становится меньше 1 мм. Увеличение характерного размера сечения каналов приводит к тому, что заметная часть возбужденного кислорода релаксирует до того, как встретится с молекулой примеси. Следствием этого является уменьшение скорости окисления молекул примеси возбужденным кислородом.

Увеличение поверхности основы с нанесенным на нее фотосенсибилизатором обеспечивается тем, что она выполняется либо в виде большого числа шариков мелких размеров, либо в виде ткани или волокон, а максимальное эффективное освещение фотосенсибилизатора достигается тем, что источник света установлен на оси проточной камеры, образованной двумя соосными цилиндрическими стенками, причем внутренняя стенка пропускает видимый свет, а наружная его отражает, позволяя поднять эффективность облучения ГФС.

В результате излучение, испускаемое источником света, проходит через прозрачную внутреннюю стенку проточной камеры и освещает ГФС, возбуждая его. Вода, протекая по узким каналам основы, доставляет растворенный в ней кислород и органические примеси к поверхности гетерогенного фотосенсибилизатора, где происходит процесс возбуждения кислорода и окисления им органических примесей.

Заявляемый способ и устройство для его осуществления поясняются чертежом. На чертеже цифрами обозначены: 1 источник воды, содержащий примеси, вместе с источником кислорода (воздух), 2 насос для перекачки воды, 3, 4 наружная и внутренняя стенки проточной камеры с патрубками для входа загрязненной и выхода очищенной воды (7), 5 источник света (цветная люминесцентная лампа), 6 пористая проницаемая основа с нанесенным на ее поверхность фотосенсибилизатором, расположенная внутри проточной камеры, 8 - светоотражающее покрытие, расположенное на наружной стенке проточной камеры.

Устройство работает следующим образом. От источника кислорода подают в загрязненную воду кислородосодержащий газ (воздух). Включают источник света 5. С помощью водяного насоса 2 подают загрязненную воду в проточную камеру 3, 4 и пропускают эту воду через пористую проницаемую основу с нанесенным на ее поверхность фотосенсибилизатором. Очищенная вода сливается через выходной патрубок 7 в систему водопользования.

Экспериментально показана работоспособность предлагаемого изобретения. Проточная камера была образована двумя соосно расположенными цилиндрическими кварцевыми трубками длиной 300 мм и расстоянием между внутренними стенками 6 мм. Наружная поверхность камеры покрывалась отражающей алюминиевой фольгой. В проточную камеру загружалась основа из ионообменной полимерной смолы. Основа была выполнена в форме шариков диаметром от 0,3 до 0,6 мм. Поверхность смолы химическим способом покрывалась фотосенсибилизирующим красителем бенгальским розовым, который имеет асимметричную полосу поглощения с максимумом на длине волны 535 нм. Другими фотосенсибилизирующими красителями могут быть метиленовый голубой, эозин. Источником освещения служила цветная (сине-зеленая) люминесцентная лампа мощностью 30 Вт, расположенная на оси цилиндров. Максимум излечения лампы был близок к максимуму поглощения используемого фотосенсибилизатора. Источником кислорода служит воздух, барботируемый в воду, загрязненную органическими примесями, с помощью компрессора производительностью ≈ 15 л/ч. Движение воды в проточной камере обеспечивалось центробежным насосом типа НХП-02. Скорость прокачки воды через проточную камеру могла плавно изменяться от 12 до 75 л/ч. Контроль за чистотой воды осуществлялся методом отбора проб с последующим их анализом. Изменение концентрации примесей после однократного прохождения загрязненной воды через проточную камеру приведено в табл. 1 и табл. 2 (при скорости прокачки воды через проточную камеру ≈ 13,5 л/ч).

Из табл. 1 и 2 видно, что при одном проходе загрязненной воды через проточную камеру с ГФС длиной 300 мм происходит существенное уменьшение органических примесей (в том числе и микробиологических объектов).

Для получения аналогичных результатов для очистки 1 л воды по способу [4] приходилось затрачивать ≈ 6 ч, а в проведенных экспериментах это время составляло ≈ 4,5 мин.

Таким образом, проведенная авторами экспериментальная проверка показала, что заявленное изобретение позволяет значительно увеличить скорость очистки воды от органических примесей.

Формула изобретения

1. Способ очистки сточной и загрязненной питьевой воды, включающий фотоокислительное разложение органических соединений в присутствии кислорода и гетерогенного сенсибилизатора, отличающийся тем, что гетерогенный сенсибилизатор предварительно наносят на поверхность пористой проницаемой основы и разложение ведут в процессе пропускания воды через основу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника кислорода используется воздух.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сенсибилизатора используется один из органических красителей бенгальский розовый, метиленовый голубой, зозин.

4. Установка для очистки сточной и загрязненной питьевой воды, содержащая камеру обработки воды, загрязненной органическими примесями, источник кислорода, гетерогенный фотосенсибилизатор и источник видимого света, отличающаяся тем, что камера обработки выполнена проточной и содержит пористый носитель с нанесенным на него фотосенсибилизатором.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит насос для перекачки воды.

6. Установка по п.4, отличающаяся тем, что проточная камера образована двумя соосными цилиндрическими стенками, причем источник видимого света установлен на оси камеры, а внутренняя стенка камеры выполнена из материала, пропускающего видимый свет.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что наружная стенка проточной камеры покрыта отражающим свет материалом.

8. Установка по п.4, отличающаяся тем, что носитель выполнен в виде шариков из полимерного материала.

9. Установка по п.4, отличающаяся тем, что носитель выполнен в виде ткани из полимерного или синтетического материала, либо стеклоткани.

10. Установка по п.4, отличающаяся тем, что в качестве источника света используют одну либо несколько узкополосных ламп, спектр излучения которых перекрывает спектр поглощения фотосенсибилизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2