Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ 2,4-ДИХЛОРФЕНОЛА

Изобретение относится к химической промышленности, а именно, к технологии очистки воды с помощью плазмы диэлектрического барьерного разряда - процесса, позволяющего окислить загрязняющие вещества до оксида углерода и воды, с присутствием в емкости адсорбента - вещества способного поглощать и удерживать загрязняющие вещества (сорбаты), и может быть использовано, например, для очистки сточных вод от хлорорганических соединений, например, 2,4-дихлорфенола.

Известен способ адсорбционной очистки воды от фенолов (Пат. 2111172 Российская Федерация, МПК C02F 1/28. Способ адсорбционной очистки воды / Конюхова Т.П.; заявитель и патентообладатель Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых, - N 96112598/25; заявл. 25.06.1996; опубл. 20.05.1998), включающий фильтрацию через природный сорбент, в качестве которого используют кремнистую породу смешанного минерального состава (масс. %): опал-кристобалит - 30-49; цеолит - 7-25; глина - 7-25, кальцит - 10-28, остальное - обломочно-песчано-алевритовый материал), которую прокаливают перед активацией при 300°С, а после активации пород обрабатывают 2н. раствором хлорида натрия.

Недостатком данного способа является низкая сорбционная емкость природного сорбента по фенолам, а также процесс дополнительной активации сорбента при высокой температуре перед очисткой воды, поэтому способ рекомендован для доочистки воды от фенолов.

Известен способ биохимической очистки промышленных сточных вод от фенолов (Пат. 2188164 Российская Федерация, МПК C02F 3/02 C02F 3/02, C02F 101:30, C02F 103:36. Способ биологической очистки сточных вод от фенола / Сафронов В.В.; заявитель и патентообладатель Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, - N 2000127572/12; заявл. 03.11.2000; опубл. 27.08.2002, Бюл. №24), который осуществляют путем совместного и одновременного окисления фенолов активным илом и перекисью водорода. Активный ил предварительно адаптируют в течение 1,5-3 месяцев к высоким концентрациям фенола не более 3,0 г/л и перекиси водорода не более 3,0 г/л без уменьшения интенсивности биологического окисления.

Недостатком такого способа является проведение процесса в длительном периодическом режиме.

Известен способ очистки сточных вод от фенолов (Пат. 2058265 Российская Федерация, МПК C02F 1/72 B01J 23/34. Способ очистки сточных вод от фенолов / Черемисина О.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", - N 2000127572/12; заявл. 03.11.2000; опубл. 27.08.2002), который включает электрокаталитическое окисление с использованием марганецсодержащего катализатора (пиролюзита) с высотой насыпного слоя 1,2-6,0 см в поле гальванического элемента, анодом которого является пиролюзит, а катодом - пластины из нержавеющей стали. Электрокаталитическая обработка сточной воды, содержащей фенол в количестве 4-200 мг/л, в поле гальванического элемента реактора с секционной загрузкой анода катализатора пиролюзита, разделенного катодами пластинами из нержавеющей стали, позволяет в течение 1,0-1,5 ч снизить содержание фенола в воде до 0,001 мг/л, т.е. до предельно допустимой концентрации. Температура протекания процесса 20±5°С.

Недостатками способа являются высокий расход энергии и невозможность использования разработанной электрокаталитической технологии для очистки сточных вод от высоких концентраций фенолов.

За прототип принят способ очистки воды [Gushchin, A.A., Grinevich, V.I., Shulyk, V.Y., Kvitkova. E.Y., & Rybkin. V.V. (2018). Destruction Kinetics of 2, 4 Dichlorophenol Aqueous Solutions in an Atmospheric Pressure Dielectric Barrier Discharge in Oxygen. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 38(1), 123-134. Гущин А.А., Гриневич В.И., Шулык В.Ю., Квиткова Е.Ю., Рыбкин В.В. (2018). Кинетика деструкции водных растворов 2,4-дихлорфенола в диэлектрическом барьерном разряде при атмосферном давлении в кислороде. PlasmaChemistryandPlasmaProcessing, 38(1)], в котором вода, содержащая 2,4-дихлорфенол, поступала в емкость, при подаче плазмообразующего газа-кислорода с расходом 3 см³/сек, при напряжении, вкладываемом в разряд 6,0-13,0 кВ.

Недостатками прототипа являются низкая степень очистки при увеличении концентрации 2,4-дихлорфенола в воде, высокие энергозатраты для проведения процесса очистки, низкое значение расхода жидкости, поступающей на очистку, требование большого времени контакта жидкости с зоной разряда, неполнота разложения 2,4-дихлорфенола в растворе, высокий расход кислорода.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности очистки, возможность достигать полной очистки воды даже при более высоких концентрациях 2,4-дихлорфенола в воде, снижение расхода кислорода, уменьшение требующегося времени контакта с зоной разряда, снижение энергозатрат.

Указанный результат достигается тем, что в способе очистки воды, заключающемся в пропускании ее через емкость, подаче плазмообразующего газа-кислорода и обработкой в диэлектрическом барьерном разряде при напряжении, вкладываемом в разряд 6,5-7,2 кВ, согласно изобретению, внутрь емкости помещают слой адсорбента, в качестве которого, выбирают силикатный сорбент-диатомит.

Технический результат достигается за счет того, что при помещении в емкость силикатного сорбента-диатомита, происходит рост его сорбционной емкости и увеличение поверхностной активности по сравнению с исходным (сорбционная емкость сорбента-диатомита при обработке в диэлектрическом барьерном разряде увеличивалась в 1,5-1,75 раза). При этом происходит повышение эффективности очистки за счет процесса адсорбции даже при более высоких концентрациях 2,4-дихлорфенола, увеличении времени контакта воды с разрядной зоной за счет снижения скорости потока (т.к. жидкость задерживается в разрядной зоне, проходя через слой сорбента), а не за счет снижения расхода жидкости как в прототипе, снижение энергозатрат, и отсутствие вторичного загрязнения воды.

В качестве сорбента используют диатомит, например, марки СМД СОРБ.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Пример 1.

В качестве сорбента используют диатомит, например, марки СМД СОРБ.

Сорбент диатомит массой 2 г, засыпают в емкость, представляющую собой стеклянную трубку диаметром 22 мм, внутри которой находится алюминиевый электрод цилиндрической формы. Длина электрода составляет 160 мм, диаметр 16 мм. На стеклянную трубку намотан внешний электрод, в качестве которого использована алюминиевая фольга, тонким равномерным слоем и длинной 8 см. Внутри ячейки находится фторопластовое кольцо, удерживающее сорбент в получаемой зоне горения разряда. С помощью входного патрубка в емкость подают плазмообразующий газ, в качестве которого используют кислород с расходом 0,5 см³/сек.

Далее возбуждают плазму барьерного разряда с помощью высоковольтного трансформатора. Разряд имеет следующие параметры: сила тока 4,2-8,2 мА, напряжение 6,5;6,7;7,1 и 7,2 кВ. Объемная мощность, вкладываемая в разряд, изменялась в пределах 1-4 Вт/см³ (частота прикладываемого к электродам напряжения 800 Гц). Одновременно с возбуждением плазмы, с помощью насоса в реактор подают водный раствор 2,4-дихлорфенола с расходом, составляющим 0,12 мл/с. Начальная концентрация 2,4-дихлорфенола в воде составляла 100 мг/л. Результаты обработки и параметры проведения экспериментов представлены в таблице 1.

Пример 2.

Сорбент диатомит массой 2 г, засыпают в емкость для обработки в диэлектрическом барьерном разряде. В емкость подают плазмообразующий газ, в качестве которого используют кислород с расходом 0,5 см³/сек. Разряд имеет следующие параметры: сила тока 8,2 мА, напряжение 7,2 кВ, частота тока 800 Гц, объемная мощность 3,26 Вт/см³. Расходы жидкости, содержащей 2,4-дихлорфенол с концентрацией 100 мг/л составляют 0,4; 0,28; 0,18 и 0,14 мл/сек. Времена контакта с зоной разряда составляют 1,2; 1,5; 2 и 2,4 секунды. Времена контакта (t_k), рассчитывались по (1):

где D - диаметр внутреннего электрода, см, h - толщина пленки раствора, см, L - длина зоны разряда, см, Q - скорость потока раствора, мл/с,

Толщина пленки жидкости рассчитывалась по уравнению для гладкого ламинарного потока по формуле (2):

где ν - кинематическая вязкость, м²/с, g - постоянная силы тяжести, м/с². Эффективность очистки от расхода жидкости и параметры проведения экспериментов представлена в таблице 2.

Пример 3.

Сорбент диатомит массой 2 г, засыпают в емкость для обработки в диэлектрическом барьерном разряде. В емкость подают плазмообразующий газ, в качестве которого используют кислород с расходами 0,2; 0,5; 0,7 и 1 см³/сек. Разряд имеет следующие параметры: сила тока 8,2 мА, напряжение 7,2 кВ, частота тока 800 Гц, объемная мощность 3,26 Вт/см³. Расход жидкости, содержащий 2,4-дихлорфенол с концентрацией 100 мг/л составляет 0,14 мл/сек. Время контакта с зоной разряда составляет 2,43 секунды. Зависимость эффективности очистки от расхода кислорода и параметры проведения экспериментов представлены в таблице 3.

Зависимость эффективности десорбции и основные параметры в сравнении с параметрами прототипа представлена в таблице 4.

Данные, представленные в таблице 4, показывают, что при большем расходе жидкости и меньшем времени контакта, за счет присутствия в реакторе адсорбента эффективность очистки повышается с 90,6 до 100%. При этом энергозатраты снижаются в 2,14 раз по сравнению с прототипом. Расход используемого газа (кислорода) в заявляемом методе меньше, чем представленный в прототипе, в 6 раз. При этом увеличивается эффективность очистки воды, содержащей 2,4-дихлорфенол в 6,7 раз больше, чем в прототипе.

Таким образом, более эффективно осуществляется процесс очистки воды, в том числе с точки зрения энергозатрат, снижается расход кислорода, уменьшается требуемое время контакта с зоной разряда.