Газовый биофильтр

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пинчук Леонид Семенович Макаревич Анна ВладимировнаКороткий Максим ВасильевичСамсонова Алиса СамуиловнаЛи Юнг-Хун(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси(57) Газовый биофильтр, состоящий из корпуса с патрубками в нижней его части для подачи загрязненного и в верхней части для выхода очищенного воздуха, размещенного в нем фильтрующего материала, являющегося носителем микроорганизмов, и системы орошения носителя водой, стекающей в нижнюю часть корпуса, отличающийся тем, что носитель выполнен в виде полимерных волокнистых конструкционных элементов, несущих 7307 1 2005.09.30 стабильный электрический поляризационный заряд, система орошения включена в систему циркуляции воды, содержащую узел растворения абсорбентов вредных газов и паров,загрязняющих воздух, и узел десорбции загрязнителей воздуха, абсорбенты растворены в воде в безопасной для микроорганизмов концентрации, а патрубок для подачи загрязненного воздуха расположен ниже уровня воды в нижней части корпуса. Изобретение относится к области разделения смесей веществ, в частности к устройствам для удаления из атмосферы замкнутых производственных помещений скапливающихся там при осуществлении производственных процессов органических и неорганических вредных газов и паров (водород, радиоактивный тритий, угарный газ, сероводород, оксиды азота, этилен, метиловый спирт, летучие органические кислоты и альдегиды). Известно устройство для мокрой очистки газов от взвешенных частиц, выполненное в виде емкости, в которой созданы водные завесы, направленные сверху вниз. Поток загрязненного газа подается в емкость по нормали к направлению водных завес 1. Эффективность очистки газов с помощью такого устройства недостаточно высокая. Устройство для очистки газа от пыли 2 содержит ионизирующие электроды и покрытые слоем диэлектрика осадительные электроды. С целью повышения степени очистки в устройстве размещена также система электродов бегущего электрического поля,имеющих специальный аэродинамически целесообразный профиль. Недостатком электроочистного устройства является трудность удаления частиц пыли с осадительных электродов. Устройство для очистки газовых сред от пыли и иных примесей 3 выполнено в виде цилиндрического корпуса. Во входном раструбе корпуса, куда подается загрязненный газ,установлены форсунки, распыляющие воду. В цилиндрической части корпуса размещены шнеки, которые перемещают осажденные частицы загрязнения в виде шлама в раструб,откуда он смывается водой. Недостатком такого устройства, общим для всех оросительных газоочистных систем,является невысокая степень очистки газовых сред. Биофильтры принципиально отличаются от рассмотренных выше конструкций тем,что удаление загрязнений из газовых сред осуществляется в них микроорганизмами, которые используют загрязняющие вещества в качестве источника питания и энергии. Микроорганизмы обычно закреплены (иммобилизованы) на твердых носителях, собранных в специальные системы. Загрязняющие компоненты фильтрующих сред подвергаются в биофильтрах биологической деструкции до безвредных продуктов или полностью усваиваются микроорганизмами. Поэтому биофильтры практически все время остаются чистыми и не содержат скоплений вредных веществ. Процесс очистки газовых сред осуществляется путем их продувки через корпус биофильтра. Биофильтр 4 для биологической очистки отходящих газов содержит корпус, в котором послойно расположены пластины из пластмассы, стали или стеклоткани с иммобилизованной на них биомассой. Его недостатком является повышенная вероятность проскока частиц загрязнений по зазорам между пластинами. Биологический реактор 5 содержит корпус с патрубками подвода очищаемого и отвода очищенного воздуха, устройство для подачи минеральной среды и послойно расположенные пластины биокатализатора. Между ними закреплены стержни, выполненные из химических волокон с иммобилизованными микроорганизмами. Недостаток биореактора состоит в конструктивной и технологической сложности послойной системы пластин и закрепления между ними стержней - носителей микроорганизмов. Эксплуатация, ремонт и регенерация такого устройства представляет собой сложную проблему. 2 7307 1 2005.09.30 Прототипом изобретения является биофильтр для очистки сточной воды и/или газовых выбросов 6. Базовая конструкция биофильтра предназначена для удаления вредных газов и паров из атмосферы. Корпус биофильтра содержит слои фильтрующего материала - носителя биомассы, а также патрубки в нижней части корпуса - для входа загрязненного, а в верхней - для выхода очищенного воздуха. В верхней части корпуса установлена система орошения носителей водой. Последняя стекает в нижнюю часть корпуса и по циркуляционному контуру подается насосом в систему орошения. Недостатки прототипа отсутствие в конструкции биофильтра источников электрического поля, повышающего эффективность фильтрации газовых сред невозможность регулировать смачивание носителей биомассы водой нерациональное использование воды, выполняющей в биофильтре преимущественно функцию увлажнения носителя для обеспечения метаболизма микроорганизмов. Задачи, на решение которых направлено изобретение 1) повысить эффективность очистки воздуха от вредных газов и паров 2) увеличить смачивание носителей водой 3) реализовать в биофильтре электростатический механизм захвата загрязнителей 4) реализовать в биофильтре абсорбционный механизм очистки воздуха водными растворами абсорбентов 5) повысить иммобилизирующую способность носителей микроорганизмов. Поставленные задачи решаются тем, что известный биофильтр для удаления вредных газов и паров из атмосферы, состоящий из полого корпуса, в котором содержится фильтрующий материал - носитель микроорганизмов, снабженного в нижней части патрубком для входа загрязненного, а в верхней части - патрубком для выхода очищенного воздуха и циркуляционной системой орошения носителей водой, имеет новые конструктивно-технологические признаки. В качестве носителя микроорганизмов использованы полимерные волокнистые конструкционные элементы, несущие стабильный электрический поляризационный заряд. В воде, орошающей носители, растворены абсорбенты вредных газов и паров, загрязняющих воздух. Система циркуляции воды содержит узлы растворения абсорбентов и десорбции загрязнителей. Входной патрубок для загрязненного воздуха расположен ниже уровня воды, стекающей из системы орошения в нижнюю часть корпуса. Сущность изобретения состоит в следующем. Электрический поляризационный заряд,сформированный в полимерных волокнистых носителях, дает возможность 1) реализовать в биофильтре электростатический механизм улавливания паров-загрязнителей воздуха, 2) повысить иммобилизационную способность носителей микроорганизмов и жизнеспособность последних при больших нагрузках на биофильтр, 3) увеличить смачивание носителей водой. Растворение абсорбентов вредных газов и паров в воде, обеспечивающей метаболизм микроорганизмов, позволяет повысить степень очистки воздуха за счет абсорбции загрязнителей водным раствором и облегчает инактивацию абсорбированных загрязнителей микроорганизмами. Расположение входного патрубка для загрязненного воздуха ниже уровня воды в корпусе дает возможность снизить нагрузку на биологическую часть фильтра и удалять загрязнители из воды, циркулирующей в замкнутом цикле очистки, по механизму десорбции. Таким образом, в биофильтре реализованы три механизма очистки воздуха биологический, электростатический и абсорбционный. На фигуре изображена схема одного из вариантов конструкции газового биофильтра. В полом корпусе 1, выполненном из нержавеющей стали, на проволочной сетке 2 расположены носители 3 с иммобилизованными микроорганизмами. Носители имеют вид колец Рашига (внутренний диаметр - 30 мм, толщина стенки - 5 мм, высота - 15 мм) и выполнены из полипропилена методом -, т.е. напылением на вращающуюся оправку выдавливаемых через экструзионную головку волокон расплава с помощью потока сжатого воздуха. На выходе из фильеры волокна обрабатывают коронным разрядом (отрицательная корона, напряжение на игольчатом электроде-15 кВ). Кольца состоят 3 7307 1 2005.09.30 из хаотически расположенных волокон со средним диаметром 60 мкм, когезионно связанных в точках касания. Плотность колец 0,2-0,3 г/см 3, эффективная поверхностная плотность электретного заряда (измерена методом вибрирующего электрода) составляет эф 10-8 Кл/см 2. Корпус снабжен патрубками 4 - для входа загрязненного воздуха из вентиляционной системы 5 6 - для выхода очищенного воздуха через водоотделитель 7 и вытяжной вентилятор 8 в атмосферу 9 - для входа воды 10 - для выхода воды 11 из нижней части корпуса через насос 12, узлы десорбции 13 и растворения 14 в трубопровод 15, связывающий патрубки 9 и 10. Входной канал патрубка 4 для загрязненного воздуха расположен ниже уровня воды 11 в нижней части корпуса 1. В верхней части корпуса размещена система орошения носителей 3 водой в виде форсунок 16, соединенная с трубопроводом 15. Узел десорбции 13 соединен с системой 17 утилизации загрязнений. Биофильтр работает следующим образом. Носители 3 с иммобилизованными микроорганизмами орошаются с помощью форсунок 16 водой и обдуваются воздухом, поступающим через патрубок 4. Это создает условия, необходимые для метаболизма микроорганизмов. Загрязненный воздух из вентиляционной системы 5 поступает в корпус биофильтра через патрубок 4 и барботирует через слой 11 воды, стекающей с носителей 3 микроорганизмов. Вредные газы и пары, содержащиеся в воздухе, частично абсорбируются водой и растворенными в ней целевыми добавками по механизмам физической или химической сорбции. Далее воздух поступает в корпус и под действием разряжения, создаваемого вентилятором 8, фильтруется через слой носителей 3, преодолевая его аэродинамическое сопротивление, со скоростью до 1,5 м/с. Времени контакта загрязненного воздуха с иммобилизованной на носителях биомассой достаточно, чтобы микробы сорбировали и деструктировали его вредные составляющие до нейтральных продуктов. Во время происходящей противотоком фильтрации воды и воздуха на носителях 3 микроорганизмов происходят следующие процессы. 1. В поле электретного заряда, сформированного на носителях, взвешенные в загрязненном воздухе твердые и жидкие частицы примесей поляризуются (т.е. приобретают отличный от нуля электрический момент вследствие нарушения статически равновесного распределения в частице свободных носителей заряда). Поляризованные частицы оседают на волокнах носителей под действием кулоновских сил. В зависимости от природы загрязнений захват частиц может сопровождаться их агрегацией. Таким образом, в биофильтре реализуется электростатический механизм осаждения загрязнений, характерный для электретных газовых фильтров. 2. Поляризационный заряд волокон увеличивает смачивание носителей водой. Незаряженные полипропиленовые волокна плохо смачиваются водой краевой угол смачивания 85-90. Формирование в волокнах электретного заряда с оптимальными параметрами существенно изменяет эту картину. Поляризация обусловливает возрастание поверхностной энергии на границе раздела фаз полимер - воздух и ее снижение на границе полимер - вода, что приводит к значительному уменьшению краевого угла смачивания волокон водой 5-14 7. Хорошее смачивание носителей улучшает условия жизнедеятельности микроорганизмов и повышает степень сорбционного поглощения загрязнений пленками воды, покрывающими волокна. 3. Собственное поле электретного заряда носителей стимулирует метаболизм микроорганизмов. Зарегистрированы более высокие показатели адсорбционной иммобилизации микроорганизмов на электретных носителях и увеличение их активности в процессах биодеструкции загрязнений. Эффект активирующего воздействия электретного поля полимерных носителей на микроорганизмы сохраняется, по крайней мере, в течение десяти лет эксплуатации биофильтров 8. Благодаря этому при традиционно простой конструкции биофильтра эффективность его работы существенно увеличивается. 4 7307 1 2005.09.30 Вода в предложенном биофильтре выполняет две функции 1) питательной среды для микроорганизмов и 2) абсорбента вредных газов и паров, содержащихся в загрязненном воздухе. Циркуляция воды по контуру, замкнутому через корпус биофильтра, инициируется насосом 12, который подает воду 11, стекающую с носителей в узлы 13 - десорбции и 14 - растворения. Последний предназначен для растворения в воде целевых добавок - абсорбентов загрязнителей воздуха в концентрации, безопасной для микроорганизмов. Приведем примеры приготовления таких растворов.. Воздух загрязнен диоксидом углерода СО 2 - побочным продуктом сжигания кокса. Его предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе - 30 мг/м 3. В узле 14 в воде растворяют моноэтаноламин 222 (молекулярная масса 61, температура кипения Ткип 171 С, плотность 1,022 г/см 3). Его 1 водный раствор (61 г в 1 л раствора) безвреден для микроорганизмов, применяемых в промышленных биофильтрах, но является хорошим поглотителем кислых газов из индустриальных газовых выбросов. Абсорбция СО 2 водным раствором моноэтаноламина происходит по механизму физической сорбции. Б. В воздухе содержится аммиак 3 - бесцветный газ с резким запахом (ПДК 20 мг/м 3). Готовят 5 водный раствор фосфорной кислоты, которая химически абсорбирует аммиак 33234(4)24424. Продукты реакции - аммония гидроортофосфат (4)24 и аммония дигидрофосфат 424 являются продуктами питания для микроорганизмов.. Воздух очищают от паров толуола 653 (ПДК - 50 мг/м 3, Ткип 111 С,0,867 г/см 3). Используют 5 водный раствор ацетона, который поглощает этилацетат по механизму физической сорбции. Слабый раствор ацетона безвреден для микроорганизмов. В узле 13 десорбции происходит регенерация водного раствора, поглотившего вредные газы и пары во время барботирования загрязненного воздуха через слой воды 11 и при ее стекании с носителей 3 в противотоке с воздухом. Загрязнения выделяются из воды в газовую фазу емкости 13, когда их равновесное давление над водой выше, чем в десорбирующем агенте. В качестве последнего применяют острый водяной пар или инертный газ в сочетании с нагреванием загрязненной воды. Выходящую из узла 13 смесь вредного вещества и пара конденсируют и утилизируют с помощью системы 17. Таким образом, загрязненный воздух, поступающий в биофильтр через патрубок 5,очищается 1) по механизму абсорбции при барботировании через слой 11 водного раствора, во время движения противотоком с капельными струями воды, распыляемой форсунками 16, и при контактировании с пленкой воды, смачивающей волокнистый носитель 3 2) по электростатическому механизму при фильтрации через слой электретных носителей 3. Очищенный газ выходит через патрубок 7, осушается, проходя через водоотделитель 7, и выходит наружу. Загрязнения не накапливаются в биореакторе, т.к. сорбированные на носителе 3 пары и газы подвергаются биологической деструкции до безвредных продуктов иммобилизованными на носителе микроорганизмами, а абсорбированные водой - удаляются из биофильтра с помощью узла 13 десорбции и системы 17 утилизации. Предложенная конструкция газового биофильтра может быть применена для удаления из атмосферы опасных для здоровья человека газов и паров техногенного происхождения,в том числе летучих канцерогенных веществ из атмосферы заводских цехов и помещений химических производств, летучих радиоактивных веществ из надкупольных посещаемых пространств атомных электростанций, летучих продуктов разложения сельскохозяйственной продукции из мест ее длительного хранения и др. 7307 1 2005.09.30 Источники информации 1. Патент РФ 2147527, 7 МПК В 60 3/06,01 47/02, 2000. 2. Патент РФ 2163513, 7 МПК В 03 С 3/08, 2001. 3. Патент РФ 2138321, 6 МПК 01 47/06, 1999. 4. Патентная заявка Германии 4017384, 5 МПК 01 53/00, 1991. 5. Патент РФ 2015163, 5 МПК С 12 1/40, 1994. 6. Патент США 6100081, 7 МПК 01 53/85, С 02 3/04, С 02 3/10, 2000 (прототип). 7.,,Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.