Фотокаталитический суспензионный реактор для очистки воды

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ СУСПЕНЗИОННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Кулак Анатолий Иосифович Галкова Тамара Николаевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси(57) Фотокаталитический суспензионный реактор для очистки воды, содержащий горизонтально расположенный и установленный с возможностью вращения цилиндрический корпус и установленный параллельно оси цилиндрического корпуса источник ультрафиолетового излучения, отличающийся тем, что содержит ограничительные кольца с отверстиями для подачи суспензии фотокатализатора в очищаемую воду и извлечения очищенной воды, установленные на торцах цилиндрического корпуса, внутренняя поверхность цилиндрического корпуса выполнена из гидрофильного материала, обеспечивающего фиксацию на ней тонкого слоя суспензии фотокатализатора в очищаемой воде в процессе вращения цилиндрического корпуса, а источник ультрафиолетового излучения установлен внутри цилиндрического корпуса. Фиг. 1 Изобретение относится к области очистки природных, сточных и технологических вод и водоподготовки, в частности к устройствам для фотокаталитического разрушения рас 16021 1 2012.06.30 творенных в воде органических веществ, в том числе токсичных и трудноразлагаемых ароматических и галогеноароматических соединений. Известен цилиндрический фотокаталитический суспензионный реактор для очистки воды, в котором водная суспензия фотокатализатора диоксида титана (2) марки 25 в количестве 0,5 г/л с добавкой модельного загрязнителя 3,4 дихлоро-1-бутена с концентрацией 0,210-3 моль/л находится внутри стеклянного цилиндра, перемешивается с помощью магнитной мешалки, а облучение ультрафиолетовым (УФ) излучением осуществляется с помощью УФ-ламп, расположенных снаружи вокруг цилиндра параллельно оси цилиндра. Показано, что за 60 мин разрушение 3,4 дихлоро-1-бутена происходит на 84 , а за 20 мин разрушается 45 указанного органического загрязнителя 1. Недостатком предложенного устройства является его низкая производительность, которая объясняется тем, что перемешивание суспензии с помощью магнитной мешалки не обеспечивает достаточную концентрацию частиц фотокатализатора в зоне действия УФизлучения и тем самым не способствует рациональному использованию фотокатализатора. Кроме того, нахождение УФ-излучателей снаружи, за пределами стеклянного цилиндра, приводит к ослаблению излучения как за счет поглощения части излучения стенками цилиндра, так и за счет того, что значительная часть энергии трубчатых ламп распределяется в сторону от цилиндра и, следовательно, расходуется впустую. На цилиндр и, следовательно, на фотокаталитическую суспензию попадают лучи, в основном, от непосредственно обращенных к цилиндру сторон ламп. Указанные причины снижают скорость фотокаталитического процесса разрушения органической примеси в водной суспензии и приводят к непроизводительным затратам энергии УФ-излучения. Известен фотокаталитический суспензионный реактор для очистки воды, который состоит из двух концентрически расположенных акриловых цилиндров, из которых внутренний вращается, а наружный неподвижен. Четыре трубчатые УФ-лампы стационарно закреплены во внутреннем цилиндре с помощью трубки-держателя ламп. Водная суспензия, содержащая фотокатализатор 2 марки 25 и добавку модельного загрязнителя фенола, находится в зазоре между внешним и внутренним цилиндрами. Лучший из представленных авторами результатов получен при максимальной скорости вращения внутреннего цилиндра 50 об/мин, среднем зазоре между внешним и внутренним цилиндром 17,5 мм, содержании фенола в суспензии 20 мг/л и максимальной исследованной концентрации фотокатализатора 8 г/л. Степень разрушения фенола в указанных условиях за 60 мин составляет 70 , а за 20 мин - 36 , причем скорость вращения внутреннего цилиндра не отражается на степени окисления органического загрязнителя воды 2. Недостатком рассмотренного устройства является его низкая производительность, которую можно объяснить тем, что УФ-лампы, расположенные во внутреннем цилиндре, не могут в полной мере облучать суспензию (используется только часть излучения, направленного на стенку внутреннего цилиндра и прошедшего через нее), а перемешивание суспензии за счет вращения внутреннего цилиндра не обеспечивает в ней достаточного массопереноса и тем самым не дает положительного результата по сравнению с неподвижным вариантом. Известен фотокаталитический суспензионный реактор для очистки воды, состоящий из трех последовательно соединенных вращающихся цилиндрических сосудов, изготовленных из плексигласа, внутри которых расположены пластинчатые манипуляторы, обеспечивающие, по мнению авторов, высокую площадь контакта поверхности катализатора с загрязнителем в суспензионном реакторе, а также высокую освещенность фотокатализатора. УФ-облучение создается шестью трубчатыми лампами, прикрепленными вблизи внешних сторон сосудов попарно. В водную суспензию фотокатализатора, представляющего собой гранулы 2 марки 1 фирмы .(Германия), с концентрацией 30-200 г/л в качестве модельного органического загрязнителя вносили метиленовый голубой (МГ) (-тетраметилтионина хлорид тригидрат) в 2 16021 1 2012.06.30 количестве 10 мкмоль/л. Показано, что при концентрации катализатора 30 г/л в течение 20 мин разрушается 67 введенного загрязнителя, а практически полное его разрушение происходит за 60 мин 3-5. К недостаткам указанного фотокаталитического реактора следует отнести невысокую степень деградации органического загрязнителя, особенно при низких концентрациях вносимого фотокатализатора и непродолжительном времени облучения суспензии. Это связано с расположением источников УФ-излучения за пределами цилиндрических сосудов. При таком расположении УФ-ламп на стенки сосудов попадает только часть излучения, направленного непосредственно на стенки сосудов (присутствует мертвая зона),кроме того, происходит потеря УФ-энергии за счет ее поглощения стенками сосудов. Указанные причины приводят к непроизводительной трате УФ-излучения на пути к облучаемой суспензии, а следовательно, и к фотокатализатору, что приводит к относительно низким скоростям окисления органического загрязнителя. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является фотокаталитический суспензионный реактор для очистки воды, состоящий из вращающегося вокруг своей оси цилиндрического корпуса,выполненного из органического стекла и окруженного УФ-лампами, закрепленными стационарно на определенном расстоянии от наружной стенки корпуса параллельно его оси. Внутрь корпуса помещают водную суспензию фотокатализатора гранулированного 2 в количестве 1 г/л. Туда же добавляют в качестве модельного органического загрязнителя краситель метиленовый голубой (МГ) с концентрацией 50 мкмоль/л. Вращение корпуса используют для перемешивания суспензии фотокатализатора. Установлена зависимость скорости фотокаталитической деструкции МГ в зависимости от скорости вращения корпуса (15-60 об/мин) и расстояния УФ-ламп от поверхности корпуса (4-32 см). Оптимальный результат получен при максимальной скорости вращения (60 об/мин) и минимальном расстоянии ламп от корпуса (4 см), когда степень обесцвечивания жидкой части суспензии в течение 20 мин составляет 74,0 , а за 60 мин - 98,7 . Уменьшение скорости вращения до 15 об/мин приводит к понижению степени разрушения МГ до 34,5 за время 20 мин и до 92,4 за 60 мин 6 - прототип. Недостатком указанного фотокаталитического суспензионного реактора для очистки воды является его низкая производительность, особенно при низких скоростях вращения цилиндрического корпуса, а повышение указанного параметра приводит не только к дополнительным расходам энергии, но и к дополнительным неудобствам, обусловленным повышением шумности устройства, разбрызгиванию суспензионного раствора, необходимостью введения дополнительных мер безопасности (при больших габаритах быстро вращающегося реактора). Задачей данного изобретения является повышение производительности фотокаталитического суспензионного реактора для очистки воды, а именно обеспечение полной очистки воды от растворенных в ней органических загрязнителей при одновременном упрощении конструкции аппарата, невысокой скорости вращения корпуса и уменьшении энергетических потерь. Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом фотокаталитическом суспензионном реакторе горизонтально расположенный, вращающийся вокруг своей оси цилиндрический корпус изготавливают из гидрофильного материала, а источник УФ-излучения устанавливают внутри корпуса концентрично его внутренней поверхности. Суспензию фотокатализатора вводят внутрь корпуса, причем ее вытеканию препятствуют кольца, установленные на обоих торцах корпуса. Ввод и вывод подаваемой жидкости, так же как и электрические выводы источника УФ-излучения и его крепление,осуществляют через торцевые части корпуса. На фиг. 1 изображена схема фотокаталитического суспензионного реактора для очистки воды, вид спереди на фиг. 2 - вид сбоку. 3 16021 1 2012.06.30 Устройство состоит из полого цилиндрического корпуса 1, свободно лежащего либо закрепленного на двух резиновых барабанах 2, приводящихся во вращение внешним источником движения (например, электродвигателем через зубчатую передачу), и источника УФ-излучения 3, установленного внутри цилиндрического корпуса параллельно его оси. Суспензия фотокатализатора 4 удерживается внутри корпуса за счет ограничительных колец 5, через отверстия в которых 6 вводят исходную (загрязненную) и извлекают очищенную жидкость. Уровень вводимой суспензии 4 должен быть ниже уровня ограничительных колец 5. После включения электродвигателя вращательный момент барабанов 2 передается лежащему на них корпусу 1, что обеспечивает его вращение, благодаря которому вся внутренняя поверхность 7 корпуса 1 равномерно покрывается тонким слоем частиц фотокатализатора, смоченного жидкостью, предназначенной для очистки. Наличие гидрофильности у поверхности 7 внутренней стенки корпуса 1 позволяет удерживать этой поверхностью слой суспензии фотокатализатора и, соответственно, часть жидкости из нижней части корпуса. Важно, что эта жидкость, как и порция фотокатализатора, захваченная внутренней поверхностью корпуса 1, полностью или частично обновляется при каждом обороте корпуса 1. Благодаря расположению источника УФ-излучения 3 внутри корпуса 1, его световая энергия используется в максимальной степени. Ключевыми особенностями заявляемого устройства являются сочетание окружения со всех сторон источника УФ-излучения слоем фотокатализатора, непрерывное обновление этого слоя, непрерывное обновление порции жидкости, попадающей в зону УФ-воздействия внутреннего расположения, наличие гидрофильности внутренних стенок корпуса,обеспечивающей фиксацию фотокатализатора к этим стенкам. Способ вращения корпуса 1 (один, два либо более барабанов 2) не является принципиальным и может быть заменен на любой иной способ вращения. Также непринципиальным является использование в качестве источника УФ-излучения цилиндрической лампы, расположенной внутри цилиндрического корпуса 1 параллельно его оси. Можно использовать любой разумный набор ламп либо иных источников УФ-излучения, включая асимметричное их расположение внутри корпуса. Облучению подвергают водную суспензию фотокатализатора 2 маркикомпании(Германия) в количестве 1-30 г/л в качестве модельного органического загрязнителя используют метиленовый голубой (тетраметилтионина хлорид тригидрат, ТУ 6-09-29-76) квалификации ч.д.а. с концентрацией 10-100 мкмоль/л. Предлагаемый фотокаталитический реактор испытан при скорости вращения корпуса 0 (корпус неподвижен) и 15 об/мин, устройство-прототип - при 15 и 60 об/мин. Время облучения, как правило, составляет 20 мин, для устройства-прототипа 20 и 60 мин. О производительности аппаратов судят по степени разрушения модельного органического загрязнителя. Степень разрушения загрязнителя определяют по обесцвечиванию жидкой части суспензии. Уровень обесцвечивания измеряют путем фотоколориметрирования водного раствора МГ при длине волны, соответствующей максимуму пропускания, 6705 нм после отделения частиц фотокатализатора центрифугированием суспензии. Пример. Заявляемое устройство работает следующим образом. Включают электродвигатель, который приводит в движение резиновые барабаны 2. Свободно лежащий на них цилиндрический корпус 1 из непрозрачной гидрофильной пластмассы начинает вращаться со скоростью 15 об/мин. Затем включают УФ-лампу 3. Дожидаются ее стабильной работы. На короткое время отключают электродвигатель и останавливают вращение корпуса 1. Через отверстие 6 вносят водную суспензию фотокатализатора 2 маркикомпании(Германия) с концентрацией 1 г/л с добавкой модельного органического загрязнителя МГ (4 16021 1 2012.06.30 тетраметилтионина хлорид тригидрат, ТУ 6-09-29-76) квалификации ч.д.а. с концентрацией 50 мкмоль/л, сразу включают секундомер и возобновляют вращение корпуса 1. Через 20 мин отключают УФ-лампу 3 и электродвигатель, количественно переносят содержимое корпуса 1 в мерную колбу, доводят дистиллированной водой до метки, отделяют раствор МГ от фотокатализатора центрифугированием с последующим измерением его оптической плотности с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2, используя светофильтр с маркировкой 670. Концентрация МГ в исследуемом растворе, определенная по градуировочной кривой, построенной для водных растворов с известной концентрацией МГ, оказалась равной 0 мкмоль/л. Следовательно, степень разрушения МГ в данном примере составляет 100 . Другие примеры работы заявляемого устройства и сопоставительных испытаний предлагаемого фотокаталитического суспензионного реактора для очистки воды и устройствапрототипа представлены в таблице. Исходная кон- Концентрация фоСкорость Время Степень разрушеПри- центрация мети- токатализатора вращения облуче- ния метиленового мер ленового голу- 2 в суспензии, корпуса реакния, мин голубого,бого, мкмоль/л г/л тора, об/мин Предлагаемый фотокаталитический реактор 1 10 30 0 20 95,5 2 10 30 15 20 98,5 3 50 30 0 20 96,8 4 50 30 15 20 99,5 5 100 30 0 20 95,6 6 100 30 15 20 99,6 7 50 1 0 20 99,5 8 50 1 15 20 100 9 100 1 0 23 98,7 10 100 1 15 20 100 Фотокаталитический реактор - прототип 11 50 1 15 20 34,5 12 50 1 15 60 92,4 13 50 1 60 20 74,0 14 50 1 60 60 98,7 Из таблицы видно, что производительность предлагаемого фотокаталитического суспензионного реактора для очистки воды при скорости вращения корпуса 0-15 об/мин в 2,8-2,9 раза выше, чем у реактора-прототипа. Поскольку при времени облучения 20 мин предлагаемый фотокаталитический суспензионный реактор для очистки воды при скорости вращения 15 об/мин обеспечивает полное разрушение красителя, в дальнейшем увеличивать скорость вращения корпуса нет необходимости. Предлагаемый фотокаталитический суспензионный реактор для очистки воды конструктивно прост, а поскольку УФ-облучатель находится внутри корпуса, последний может быть выполнен из любого гидрофильного, в том числе непрозрачного, материала (стекла,пластмассы, керамики, металла). Источники информации 1.. ,. ,... - 2001. - . 30. -1-2. - . 49-60. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6