21.04.2004 11:04
╘ И. М. Пискарев
Написать автору: piskarev@depni.sinp.msu.ru
Рассмотрена возможность инициирования цепных радикальных реакций окисления органических примесей воды в больших объемах жидкости. Предложено использовать для этих целей генератор озоно-гидроксильной смеси. Рассматриваемая методика позволяет при малых затратах энергии (мощность установки 100 - 150 Вт) за длительное время обработки значительно улучшить качество воды большого водоема.
Введение.
Известно, что одним из механизмов самоочищения воды в открытых водоемах являются реакции окисления перекисью водорода. Перекись водорода образуется в открытых системах под действием различных природных процессов, например: при грозе, под действием космического излучения, в различных химических реакциях. Установлено, что концентрация перекиси водорода в природных водах 10-6 √ 10-8 моль/л. До 30% перекиси водорода распадается с образованием радикалов. Концентрация радикалов ОН· находится в пределах 10-16 √ 10-19 моль/л, концентрация пероксидных радикалов ROO· в морской воде порядка 10-10 √ 10-11 моль/л. Были проекты, в которых предлагалось для очистки воды искусственно вырабатывать перекись водорода и сливать ее в водоем.
Основы метода.
В данной работе рассмотрена возможность очищения воды путем инициирования цепных реакций с помощью гидроксильных радикалов. Для этого на берегу водоема предполагается разместить генератор озоно-гидроксильной смеси (см. рис. 1).
Загрязненная вода забирается с помощью насоса М из водоема, обрабатывается озоно-гидроксильной смесью и сбрасывается обратно в водоем. Гидроксильные радикалы (радикалы ОН·) вырабатываются в генераторе 2 в зоне горения электрического разряда над поверхностью воды. Смесь активных частиц, образующихся в электрическом разряде, состоящая из озона, радикалов ОН· и НО2· , высасывается из генератора эжекторными насосами 1 с потоком воздуха. В смесителе 3, установленном на выходе эжектора, газ и жидкость перемешиваются, все активные частицы, содержащиеся в газовой фазе, расходуются на окисление примесей воды. В результате первичных реакций гидроксильных радикалов с органическими молекулами образуются вторичные радикалы. Концентрация радикалов мала, поэтому радикалы не гибнут во взаимодействиях между собой. Находясь в воде, радикалы участвуют в химических превращениях, изменяя состав сточной воды. При наличии кислорода радикалы участвуют в окислительных реакциях. Длина цепи окисления достигает 10000 актов реакции на один первичный радикал. Тем самым при малых энергетических затратах получаются заметные изменения состава воды. Такая обработка за длительное время позволяет окислить от 20 до 40% органических примесей. Образующиеся продукты реакций могут легче окисляться в естественных условиях, быстрее отстаиваются (выпадают в осадок).
Техническое осуществление.
Установка для инициирования цепной реакции окисления органических примесей в воде представлена на рис. 2.
Радикалы вырабатывались в генераторе озоно-гидроксильной смеси (рис. 3).
Рис. 3. Внешний вид генератора озоно-гидроксильной смеси.
В генераторе между электродами и поверхностью воды зажигается вспышечный коронный электрический разряд (см. рис. 4).
Рис. 4. Вспышечный коронный электрический разряд на электродах внутри генератора озоно-гидроксильной смеси.
Под действием разряда образуются радикалы и озон, притом концентрация озона существенно больше. Радикалы, взаимодействуя с озоном, превращаются из одного вида в другой: ОН· <--> НО2· , сами радикалы не гибнут, на поддержание их ╚жизни╩ расходуется озон. Поэтому озоно-гидроксильная смесь может транспортироваться за пределы реактора. Радикалы, образующиеся в области электрического разряда, уносятся из реактора потоком воздуха, всасываемого эжектором. Поток жидкости через эжектор до 5 м3/ч, жидкость смешивается с газом в соотношении 1:1. На электроды подается высокое напряжение √ 10 кВ, расстояние от электродов до поверхности воды 6,3 мм. Использовались генераторы разных размеров. В качестве примера на рис. 3 изображен генератор, в котором число электродов 160, суммарный ток электрического разряда составлял 10 - 15 мА, размеры генератора 350 х 450 х 700 мм, вес около 6 кг.
Производительность генератора радикалов определяется суммарным током электрического разряда. Выход радикалов ОН· равен 32 моль/(моль электронов) или 32 радикала на один прошедший в цепи электрон. Для генератора с током разряда 15 мА (мощностью 150 Вт) выход радикалов составляет N0 ~ 5 10-6 моль/с. Эффективность вывода радикалов ~ 1/3. Полный выход активных частиц (радикалы + озон) при разряде на воздухе составляет 150 моль/(моль электронов), однако озон не инициирует цепных реакций и в данном случае не играет решающей роли. Озон нужен в первую очередь для того, чтобы вывести радикалы из реактора. Практически все выведенные из генератора радикалы ОН·, взаимодействуя с органическим веществом, образуют новые радикалы R·, поэтому количество вторичных радикалов равно количеству первичных радикалов OH·.
Схема окисления. Окисление органических примесей в воде происходит по цепному механизму. Для случая, когда окисление инициируется гидроксильными радикалами, схема процесса выглядит следующим образом (здесь R· - органический радикал). Инициирование OH· + RH --> R· + H2O k1 ~ 109 √ 1010 л/(моль. с) (1) Продолжение цепи R· + O2 --> ROO· k2 ~ 107 √ 108 л/(моль с) (2)
ROO· + RH --> ROOH + R· k3 ~ 2,5 104 √1,4 106 л/(моль с) (3)
Разветвление цепи ROOH --> RO· + OH· k4 ~ (0,5 √ 3,25) 10-6 л/(моль с) (4)
Обрыв цепи R· + R· --> .... (5)
R· + ROO· --> .... (6)
ROO· + ROO· --> .... (7)
В реакциях 5 √ 7 образуются неактивные продукты, k5 √ k7 ~ 106 л/(моль с).
Ингибирование процесса R· + XH --> X· + RH (8)
Процесс сильно замедляется, если радикал X· окажется малоактивным. В малом объеме (~ 100 мл) и при постоянном воздействии окислителей вторично образовавшиеся радикалы будут взаимодействовать между собой (реакции 5 √ 7), либо с радикалами-окислителями (ОН·), и цепной процесс не наблюдается. Однако с увеличением объема системы концентрация вторично образовавшихся радикалов становится мала и вероятность гибели радикалов сильно уменьшается.
Скорость процесса цепного окисления определяется скоростью реакций (2 √ 3) и зависит от концентрации радикалов. Лимитирующей стадией цепного процесса является реакция (2), так как скорость поступления кислорода в воду ограничена, а концентрация исходного органического вещества в сильно загрязненной воде всегда велика. В процессе окисления радикалы не гибнут, их число сохраняется. Радикалы гибнут в реакциях рекомбинации (5 - 7) и становятся малоактивными, переставая давать заметный вклад после реакции (8).
Протекание реакции. Условия протекания цепной реакции в трех случаях: 1) замкнутый водоем (пруд); 2) проточный водоем (бассейн очистного сооружения) и 3) открытая система (например, море, прибрежная зона) являются различными. Результаты расчета и экспериментальные данные для концентрации радикалов и скорости окисления органических соединений в замкнутых водоемах разного объема при использовании генераторов разной производительности (ток от 6 до 35 мА) представлены в таблице 1. Согласно расчетам, с увеличением объема бассейна скорость окисления уменьшается как
в то время как полная скорость окисления (уменьшения ХПК) во всем объеме увеличивается:
Сравним результаты оценок с экспериментальными данными (см. таблицу 1). Для бассейна объемом 11,5 л экспериментально наблюдаемое уменьшение ХПК составило 100 мг О/л за 1 час, что совпадает с результатом расчета (115 мг О/л). Для бассейна 8 м3 экспериментально наблюдаемое уменьшение ХПК за 24 часа составило ~ 200 мг О/л, расчетное значение 10,5 х 24 = 252 мг О/л. Таким образом, проделанные расчеты подтверждаются экспериментальными данными.
Таблица 1. Скорость окисления органических примесей в воде при разных объемах замкнутого бассейна. Средняя концентрация кислорода в воде принята равной 3 10-6 моль/л.
В больших объемах (106 л и более) концентрация радикалов мала (см. табл. 1), однако во всем бассейне уменьшение ХПК может достигать заметных значений. Так в объеме 109 л (пруд размерами 1000 х 1000 м глубиной 1 м) суммарное уменьшение ХПК за час составляет 19 кг. Глубина пруда была принята равной 1 м, так как насыщение грязной воды кислородом за счет естественных процессов происходит на глубину порядка 1 м. Концентрация кислорода в воде была взята на уровне 1% от максимально возможной. Если концентрацию кислорода удастся сделать больше √ скорость окисления возрастет.
В открытой системе скорость окисления в объеме dV будет определяться соотношением:
здесь V0 - объем пятна, где разбавление не успевает происходить. Интегрируя от V0 до объема разбавления VP , получим расходящуюся величину, если VP стремится к бесконечности :
Это означает, что установка небольшой мощности, генерирующая радикалы, может дать значительный эффект. Анализируя данные таблицы 1 можно видеть, что в пределах 100 м от точки сброса обработанной жидкости можно получить концентрацию радикалов 10-9 √ 10-10 моль/л. При концентрации радикалов 10-9 моль/л и хорошем насыщении воды кислородом (концентрация 3 10-4 моль/л) можно получить скорость окисления w2 = 3 10-6 моль/(л сек). Тогда в 1 м3 в час убыль ХПК составит 172 г/ч или ~ 4 кг в сутки. При концентрации радикалов в десять раз меньшей эта скорость будет порядка 0,4 кг/сутки.
Результаты опытной эксплуатации двух генераторов озоно-гидроксильной смеси в декабре 2003 года.
Опытно-промышленные испытания метода очистки проводились на сточных водах коксохимического производства Нижнетагильского металлургического комбината. Использовались две установки с током разряда в пределах 10 - 15 мА, размещенные в разных точках потока сточной воды перед стадией биохимической очистки. Полный расход воды составлял 240 м3/ч, ХПК обрабатываемой воды около 2000 мг О/л. Основными загрязнителями являются фенолы. Фото одной установки представлено на рис. 5.
Рис. 5. Генератор озоно-гидроксильной смеси на биохимической установке коксохимического производства НТМК.
Общий расход сточной воды составлял 240 м3/ч. Ниже (см. рис. 6) представлены данные по величине ХПК на выходе БХУ, полученные в период с 1 октября 2003 года по 31 января 2004 года.
Рис. 6. Значения ХПК на выходе биохимической установки за период с 1 октября 2003 года по 31 января 2004 года.
На графике средние значения до включения второй установки, во время ее работы и после показаны прямыми линиями. В рассматриваемый период два генератора озоно- гидроксильной смеси работали одновременно с 27 ноября 2003 года по 4 января 2004 года. Один генератор на входе БХУ работал с конца сентября в течение всего периода наблюдений. Второй генератор был запущен 27 ноября в фенольном отстойнике и проработал до 4 января 2004 года.
Уменьшение среднего значения ХПК при работе двух установок составило ~22%, что хорошо видно без специальной статистической обработки. При работе одной установки эффект составлял 7 - 10 % и был едва заметен на фоне естественной нестабильности параметров БХУ.
Выводы
1. Рассмотрена возможность использования цепных радикальных реакций для очистки воды в больших объемах жидкости. Генератор озоно-гидроксильной смеси, смонтированный на берегу водоема (пруда, озера или моря) и работающий непрерывно, может при малом расходе энергии существенно улучшить степень очистки воды.
2. Показано, что генератор озоно-гидроксильной смеси мощностью 150 Вт может создать в радиусе ~ 100 м от точки сброса обработанной воды концентрацию радикалов 10-9 √ 10-10 моль/л, что позволит при хорошем насыщении воды кислородом поглощать в 1 м3 воды на окисление (уменьшение ХПК) за сутки 0,4 √ 1 кг кислорода.
3. Работа генераторов экспериментально проверена на сточных водах коксохимического производства при потоке обрабатываемой воды 240 м3/ч. Дата публикации: 20 апреля 2004
Источник: SciTecLibrary.ru
Плазмотрон порвет бактерий
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.