БОНДАРЕНКО ИВАН ИГОРЕВИЧ

Вернуться в библиотеку

УДК 662.337

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

А.А. Щерба¹, С.Н. Захарченко ¹, И.М. Соломенцева ^2
1Институт электродинамики НАН Украины,
²«Борщаговский химико-фармацевтический завод»

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Развитие фармацевтической и химической промышленности привело к появлению новых классов загрязнений сточных вод. Наличие устойчивых к традиционным реагентам органических веществ в указанных стоках не только значительно снижает эффективность их очистки химическими и биологическими методами, но и способно существенно осложнить работу очистных сооружений современных мегаполисов.

Деструкция высокомолекулярных соединений в водных стоках такими электрофизическими и электрохимическими факторами как ультрафиолетовое излучение, плазменная обработка и электролиз, способна значительно повысить эффективность их последующей очистки традиционными методами. Вот почему развитие комплексных электрофизических методов водоочистки, инвариантных к химическому составу органических загрязнений [1-5], может в значительной мере помочь в решении указанной проблемы и является актуальной задачей.

В рамках данной работы ставилась задача анализа эффективности деструкции ряда органических соединений в водных растворах методами искроэрозионной коагуляции и импульсного подводного искрового разряда. Исследования проводились в г. Киеве на лабораторной базе Института электродинамики НАН Украины и Научно-производственного центра «Борщаговский химико-фармацевтический завод».

1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе использовались модельные растворы разнотипных органических соединений: сахарозы, сорбитола, пропиленгликоля, полиэтиленгликоля, левомеколя, глицерина, экстракта корня солодки, натрий-цефтриаксона и альгината натрия. Выбор данных объектов продиктован тем, что они являются основными или сопутствующими компонентами, используемыми на большинстве фармацевтических предприятий.

Процент деструкции растворенных в дистиллированной воде исследуемых соединений вычисляли по формуле:

(1)

где: N₀ - химическое поглощение кислорода (ХПК) раствором до обработки, г/м³;

N_Т - ХПК раствором после обработки, г/м³;

Эффективность деструкции водных растворов разными методами сравнивали по приведенным удельным энергозатратам, кВт*ч/г:

(2)

где: w - удельные энергозатраты, кВт*ч/м³; вычисляемые по формуле:

(3)

где: f - частота следования импульсов, Гц;

t - продолжительность обработки, с;

V - объем обрабатываемого раствора, м³;

τ - длительность разрядного импульса, с;

u(t) - мгновенное значение напряжения импульсов, В;

i(t) - мгновенное значение тока импульсов, А.

2. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ИСКРОЭРОЗИОННОЙ КОАГУЛЯЦИИ

В лабораторной установке искроэрозионной коагуляции [1-5] водный поток с помощью центробежного насоса пропускается через слой гранул алюминия, в нашем случае марки АЕ цилиндрической формы диаметром 4 мм и высотой 6 мм. Гранулы находятся в разрядной камере (поз. 2 на рис. 1), которая представляет собой прямую призму с размерами 60 х 24 х 260 мм. Высота загрузки гранул варьируется в диапазоне от 20 до 35 мм. В ряде опытов для изменения условий искрообразования нами приме-нялось барботирование слоя гранул воздухом с помощью компрессора.

Посредством вертикальных электродов из алюминия марки АО шириной b=24 мм и высотой 80 мм, установленных на расстоянии I=52 мм друг от друга, к слою гранул от специального генератора (поз. 1 на рис. 1) периодически подводятся короткие, но мощные импульсы электрической энергии.

В результате по всему слою гранул в местах их контактов между собой и с электродами возникают искровые разряды. Они сопровождаются ультрафиолетовым и ультразвуковым излучением, микрогидравлическими ударами, эрозией с образованием дисперсных частиц, а также возникновением короткоживущих окислителей - озона и перекиси водорода [1-5].

Частицы алюминия, образовавшиеся в результате электроискровой эрозии, химически реагируя с обрабатываемой водой, образуют коагулянт на основе Аl(ОН)₃. Созревание и осаждение коагулянта (пассивная фаза процесса) происходит за пределами разрядной камеры в специальном седиментационном баке (поз. 3 на рис. 1), после чего вода очищается.

Упрощенная схема силовой части генератора разрядных импульсов лабораторной установки искроэрозионной коагуляции мощностью до 2 кВт при амплитуде напряжения до 500 В приведена на рис. 2. Тиристоры VS1 и VS2 совместно с диодами VD1 и VD2 составляют управляемый выпрямитель, который вместе с фильтром СФ преобразует переменное напряжение однофазной сети в регулируемое постоянное и осуществляют его стабилизацию.

Емкостной накопитель энергии С=200 мкФ заряжается через тиристор VS3 и дроссель L1. После завершения переходного процесса зарядки емкости она разряжается на нагрузку RН через тиристор VS4 и соединительный кабель с индуктивностью L2. Для обеспечения нулевых начальных условий зарядки емкостного накопителя в последующем цикле при изменении эквивалентного электрического сопротивления нагрузки в широких пределах она шунтируется активным сопротивлением RШ. В противном случае данный генератор не обеспечивает устойчивой работы в течение длительного времени [4, 5].

Внешний вид лабораторной установки искроэрозионной коагуляции представлен на рис. 3.

3. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСКРОЭРОЗИОННОЙ КОАГУЛЯЦИИ

Эффективность деструкции растворенных в воде органических соединений методом искроэрозионной коагуляции мы исследовали в двух режимах - с протоком и без протока. Условия проведения опытов и результаты исследований в режиме без протока представлены в табл. 1. Показатели эффективности деструкции рассчитывались по формулам (1)-(3).

Как видно из табл.1, в режиме без барботирования наибольший процент очистки F=88% и наименьшие удельные энергозатраты W=61,3 кBт*ч/м³ достигаются при деструкции альгината натрия. Барботирование воздухом позволяет улучшить эти показатели до 92% и 36,8 кВт*ч/м³ соответственно, а главное - стабилизировать эффект во времени. Улучшение показателей деструкции с применением барботирования также наблюдается при обработке раствора натрий-цефтриаксона.

Результаты деструкции сахарозы, растворенной в воде, приведены в табл. 1 для двух режимов - при высотах водного столба h=45 мм и h=30 мм, т.е. когда часть раствора находилась на некотором удалении от центров искрообразования и когда весь раствор был в непосредственной близости от этих центров. Как видим, данное расстояние играет значительную роль: непосредственная близость источников излучения позволяет снизить удельные энергозатраты почти в 2,5 раза при том же эффекте.

Поскольку начальные концентрации различных загрязнений не были равны, об эффективности деструкции необходимо судить по приведенным удельным энергозатратам WP, которые вычисляли по (2). Наилучшие показатели достигаются при деструкции альгината натрия с барботированием, а наихудшие - при деструкции сахарозы в режиме с удалением от источников излучения. При деструкции растворов сахарозы в режимах с протоком приведенные удельные энергозатраты составили от 1,04 до 3,3 кВт*ч/г, что значительно меньше, чем в режимах без протока.

Исследования показали, что увеличение амплитуды напряжения разрядных импульсов приводит к уменьшению их длительности, значительному увеличению процента деструкции и росту удельных энергозатрат, а также концентрации искроэрозионных частиц в растворе. Повышение концентрации искроэрозионных частиц приводит к повышению мутности раствора и, следовательно, повышению приведенных удельных энергозатрат. Оптимальное значение амплитуды напряжения разрядных импульсов в нашем случае находилось в пределах 220-250 В.

Повышение частоты следования разрядных импульсов в диапазоне от 0,5 до 20 Гц вызывало практически линейный рост процента деструкции, удельных энергозатрат и концентрации искроэрозионных частиц [1,4,5]. Оптимальное значение частоты в нашем случае лежало в пределах 5-10 Гц. Увеличение же скорости протока обрабатываемой жидкости приводило к обратному эффекту. Использование данных зависимостей позволяет компенсировать изменение одного фактора изменением другого с целью стабилизации удельной дозы воздействия.

Наблюдение за пассивной фазой процесса [2,4,5] (созревание и осаждение коагулянта после прекращения разрядных импульсов) позволило установить отсутствие эффекта последействия [1,3], т.е. увеличения степени деструкции без воздействия разрядных импульсов. Более того, наблюдалось некоторое увеличение химического поглощения кислорода раствором через 1-3 суток после обработки. Данное явление позволяет предположить, что, во-первых, коагуляция гидроксидом алюминия не эффективна при удалении из растворов продуктов распада перечисленных выше соединений, которые имеют в водном растворе отрицательный электрохимический потенциал, а, во-вторых, продукты распада способны объединяться, синтезируя высокомолекулярные соединения.

Для стабилизации эффекта деструкции во времени в дальнейшем производился барботаж раствора кислородом в процессе обработки для окисления активных радикалов, образующихся при распаде органических соединений.

Неэффективность пассивной фазы процесса позволила предположить, что одним из основных факторов деструкции высокомолекулярных соединений является электромагнитное излучение плазменного искрового канала в ультрафиолетовом диапазоне, Эта гипотеза получила подтверждение после получения значительного эффекта при обработке таких растворов ультрафиолетовым излучением газоразрядных ламп с длиной волны 150-190 нм. Вот почему в дальнейшем исследовались процессы, протекающие при импульсном подводном искровом разряде, где доля энергии ультрафиолетового излучения плазменного канала в общем количестве энергии разряда высока.

4. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ИМПУЛЬСНОГО
ПОДВОДНОГО ИСКРОВОГО РАЗРЯДА

В состав лабораторной установки импульсного подводного искрового разряда входят: плазмотрон, релаксационный RC-гeнератор электрических импульсов, центробежный насос и компрессор.

Конструкция плазмотрона с вертикальным расположением коаксиальных электродов приведена на рис. 4. Электродная система находится в прозрачном диэлектрическом корпусе (поз. 3 на рис. 4). Из насоса через отверстие в аноде (поз. 2 на рис. 4) поток обрабатываемой воды попадает в зону плазменного разряда, где сталкивается со встречным потоком кислорода, либо воздуха, который подается через отверстие в катоде (поз. 1 на рис. 4) с помощью компрессора. В результате образуется большое количество мелких газовых пузырьков в потоке воды, омывающем катод.

Поскольку электропроводность газов на несколько порядков ниже электропроводности воды, то при подаче электрических импульсов от генератора (Е на рис. 4) в газовых включениях возникает высокая напряженность электрического поля, способствующая образованию плазменных каналов при сравнительно низких напряжениях (1,3 - 2,5 кВ).

Возникающие подводные электроискровые разряды являются мощным источником ультрафиолетового излучения, а также ионизации, действие которых вызывает деструкцию растворенных в воде органических соединений.

В плазмотроне нами поочередно использовались электроды горизонтального и вертикального расположения, изготовленные из латуни и нержавеющей стали. Внутренний диаметр внешнего электрода в одном случае был d₁=4 мм, в другом - 5 мм. Внешний диаметр внутреннего электрода в одном случае был d₂=1, в другом - 2,5 мм.

Вертикальное расположение электродной системы позволило повысить равномерность обработки водных потоков и электроискровой эрозии активных областей электродов. Формирование возле рабочих поверхностей электродов зон с высокой электропроводностью, свободных от воздушных пузырьков, позволило снизить износ электродов в 2-3 раза.

Электрическая схема лабораторного RC-генератора разрядных импульсов мощностью 5 Вт приведена на рис. 5. Через лабораторный автотрансформатор (TV1 на рис. 5) регулируемое сетевое напряжение подается на первичную обмотку повышающего трансформатора TV2. Диоды VD1 и VD2, подключенные ко вторичным полуобмоткам TV2, представляют собой выпрямитель со средней точкой.

Выпрямленный ток через резисторы R1-R3 заряжает конденсатор С1 емкостью 1 мкФ до напряжения, регулируемого коммутацией воздушных разрядников VG1-VG16 в диапазоне от 0,4 до 3,6 кВ. Напряжение зарядки контролируется вольтметром VI Частота разрядных импульсов зависит от разности выпрямленного и выходного напряжений, сопротивления резисторов R1-R3 в цепи заряда, емкости конденсатора С и регулируется в пределах 0,2-1,2 Гц. Плазмотрон как электрическая нагрузка генератора обозначен на рис. 5 буквами PL.

5. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИМПУЛЬСНОГО
ПОДВОДНОГО ИСКРОВОГО РАЗРЯДА

Условия проведения опытов по деструкции растворенных в воде органических соединений методом импульсного подводного искрового разряда и результаты исследований представлены в табл. 2. Как следует из сравнения данных, представленных в табл. 1 и в табл. 2, процент деструкции органических соединений методом импульсного подводного искрового разряда выше, чем методом искроэрозионной коагуляции, а приведенные удельные энергозатраты на порядок меньше. Как и в прошлом случае, барботирование воздухом улучшает показатели деструкции.

ВЫВОДЫ

1. Для повышения эффективности и стабилизации эффекта деструкции органических соединений в водных растворах электрофизическими методами необходимо наличие газообразного кислорода в зоне плазменных каналов.

2. Проточные режимы обработки растворов эффективнее, чем режимы без протоков.

3. Метод импульсного подводного разряда является более перспективным, чем метод искроэрозионной коагуляции, поскольку обладает большим КПД преобразования энергии разряда в жесткое ультрафиолетовое излучение.

4. Вертикальное расположение электродной системы плазмотрона повышает равномерность обработки растворов и увеличивает срок службы электродов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.В. Гончарук, А.А. Щерба, С.Н. Захарченко, О.С. Савлук, Н.Г. Потапченко, В.Н. Косинова, Дезинфицирующее действие объемного электроискрового разряда в воде //Химия и технология воды.-1999, №3.-Т.21.-С.328-336.
2. А.К. Шидловський, А.А. Щерба, С.М. Захарченко, Високоефективна технологiя електрофізичної водопідготовки теплових електростанцій та теплоенергоцентралей // Вода і водоочисні технології,-2003.-№2(6).-С.21-25.
3. А.К. Шидловский, А.А. Щерба, С.Н. Захарченко, Перспективы применения искроэрозионной коагуляции в системах водоподготовки тепловых сетей // Энергетика и электрификация, №12, - 2002.-С. 34-40.
4. А.А. Щерба, С.Н. Захарченко, Н.И. Шевченко, К.В. Титов, Искроэрозионный метод и электротехнологическое оборудование для обеззараживания и комплексной очистки воды // Техн. електродинаміка. Тематичний випуск Силова електроніка та енергоефективність, - 2002.-Ч.3.-С. 55-60.
5. А.А. Щерба, С.Н. Захарченко, Н.И. Супруновская, В.М. Янкович, С.А. Яцюк, Метод объемной электроимпульсной искрокоагуляционной обработки воды: достоинства, управление режимами и перспектива // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск Силова електроніка та енергоефективність.-2006.-Ч.2.-С.90-95.