Плазмохимические технологии

Дата публикации: 04.05.2016

Одной из сфер деятельности Научно-производственного предприятия «Экоэнергомаш» является разработка и внедрение различного Энергосберегающего оборудования и технологий, в технологиях водоподготовки и очистки сточных вод нефтехимических, нефтедобывающих предприятий, как правило имеющих широкий спектр сточных вод как по составу так и по концентрации различных загрязняющих веществ.

Плазмохимия, область химии, в которой изучаются химические процессы в низкотемпературной плазме, закономерности протекания реакций в ней и основы плазмохимической технологии. Плазма с температурой 10³ ÷ 2 ×10⁴ К и при давлении 10^-6-10⁴ ата, а также неравновесная плазма искусственно получается в устройствах, называется плазматронами.

В настоящее время разработано множество методов очистки воды. Основными из них являются: Механическая фильтрация, биохимические методы, химические методы, озонирование, гидрокавитационная обработка, акустическая обработка, ультрафиолетовая обработка, электроимпульсная обработка, рентгеновская обработка, ударные волны.

Одним из наиболее перспективных методов водоподготовки и очистки сильнозагрязненных сточных вод являются методы основанные на плазмохимических процессах в жидко-газовых средах.

В этом отношении весьма перспективным представляется применение холодной плазмы, которая создаётся непосредственно в обрабатываемых жидкостях и газах или на поверхности стерилизуемых объектов. Взаимодействие активных частиц плазмы с вредными химическими соединениями или микроорганизмами приводит к их разрушению.

Технология плазмохимической обработки воды и промышленных стоков представляет собой так называемый деструктивный метод, в основу которого, в отличие от регенеративных методов, удаляющих примеси из воды в твердую (адсорбция), газовую (десорбция) или неводную жидкую (экстракция), фазы положено внесение химических изменений в структуру и состав молекул примесей. Причем наиболее действенным превращением является окисление веществ, которое также служит наиболее эффективным средством в отношении микроорганизмов, в том числе и патогенных.

Нетермические методы очистки отходящих газов и жидкостей в промышленности и стерилизации в медицине/биологии стали разрабатываться с 90-х годов прошлого столетия.

Несмотря на некоторые успехи, достигнутые при лабораторных испытаниях, холодная плазменная обработка при атмосферном давлении пока не получила широкого распространения на практике. Основная причина связана с тем, что разработанные к настоящему времени источники холодной плазмы технически сложно и экономически невыгодно масштабировать до параметров, необходимых современному потребителю. Другая, не менее важная, причина состоит в том, что общепринятые способы создания плазмы не гарантируют отсутствия локальных разрушений объекта в местах контакта плазмы с обрабатываемой поверхностью.

С середины 90-х годов научными коллективами г.Москвы, г.Казани, г.Томска, - выполнен большой объем научно-исследовательских работ, конструкторских разработок по созданию компактных плазмохимических реакторов для создания холодной плазмы в газово-жидких средах для обработки жидкостей различного состава в различных производственных условиях и прежде всего для различных технологий водоподготовки и очистки сточных вод

На рис. 1 приведен фотографии плазмодинамического реактора (ПД) с объёмно-диффузионным плазменным разрядом и результаты обработки воды содержащей сульфатредуцирующие бактерии (анаэробные).

Объемно-диффузионный разряд в пористом электролите, как разновидность анодного разряда, идеально подходит для обработки биологически и химически сильно загрязненных вод. Развитая поверхность в пузырьковой среде, где на границе раздела вода-воздух идет разряд, позволяет производить глубокую очистку воды с минимальными энергетическими затратами даже при наличии высокостойких микроорганизмов и химических реагентов, дезактивация которых другими методами проблематична.

Принцип работы установки:

Физический принцип работы установки основан на обработке разрядом

V=400 - 800 в микропористой жидкости (пористого электролита). Во время работы разряда создаются акустические и ударные волны в микропористой среде.

Применяется катодно-анодный электрохимический разряд (КАЭРВЭ), для электропитания которого используют стандартное промышленное напряжение 220, 380 или 660 В. На Рис1. приведен реактор на производительность по воде дл 100м³/час, (Ø=120мм, L =300мм).

Работа плазмохимического реактора основана на природной технологии очистки воды, которая близка процессам, происходящим в атмосфере во время дождя и грозы. Вода обрабатывается холодной плазмой электрического разряда, подвергается кавитации, насыщается кислородом до концентрации, выше равновесной при данной температуре.
Органические соединения окисляются до углекислого газа и воды. Соли тяжелых металлов переходят в карбонаты и выпадают в осадок. 

Объемно диффузионный разряд в пористом электролите, как разновидность анодного разряда, идеально подходит для обработки сильно загрязненных биологически и химически вод. Развитая поверхность в пузырьковой среде, где на границе раздела вода воздух идет разряд позволяет производить глубокую очистку воды с минимальными энергетическими затратами даже при наличии высокостойких микроорганизмов и химических реагентов, дезактивация которых другими методами сложна и весьма дорогая.

Обработке высокой температурой, излучением, акустикой, ударными волнами, озоном (в случае барботирования воды воздухом), хлором (для соленой воды), электрическим током подвергается одновременно довольно большой объем биологически или химически загрязненной жидкости. Этим объясняется довольно высокий, по сравнению с другими методами бактерицидный эффект. Отметим неоспоримое преимущество данного метода и устройств, состоящая в том что вся энергия закачанная в разряд идет на уничтожение микрофлоры и разрушение химических загрязнений органического и неорганического характера.

Бактерицидный эффект установки обеспечивается посредством комплекса биофизических процессов, инициируемых при плазменном разряде в жидкой культуре микроорганизмов. Плазменный разряд характеризуется следующими дезинфицирующими компонентами:

1. Термическая компонента (температура плазмы до 5000 градусов (узкая зона раздела газ - жидкость), температура обработанной жидкости с культурой микроорганизмов до 44ºС).
2. Ударная волна, акустическая компонента.
3. Электромагнитная компонента.
4. Ультрафиолетовое излучение.
5. Озонирование, хлорирование.

Технология плазменной очистки сточных вод и доочистки/подготовки питьевой воды дают возможность обрабатывать стоки с различной степенью загрязнения до уровня требований, позволяющих возвращать воду и в природную среду, и в городские водопроводы. Она становится полностью пригодной для питья.

Другой важной проблемой, примыкающей к задачам водоподготовки, является защита от биоповреждений и биокоррозии различных промышленных материалов, оборудования, электронных приборов и т.д., поскольку известно, что скорости коррозии металлов увеличиваются в сотни раз под воздействием биоплёнок микроорганизмов. В то же время микроорганизмы в составе биоплёнок чрезвычайно устойчивы к традиционным методам стерилизации, что обуславливает необходимость разработки новых и более эффективных способов стерилизации различных поверхностей, подверженных биодеградации и биокоррозии.

В предлагаемой технологии применяется метод дезинфекции микропористых жидкостей объёмно-диффузионным плазменным разрядом на поверхности фазового раздела газ-жидкость (поверхность пузырьков). В микропористой среде эта поверхность довольно развита. Поэтому обработке высокой температурой, излучением, акустикой, ударными волнами, озоном (в случае барботирования воды воздухом), хлором (для соленой воды), электрическим током подвергается одновременно довольно большой объем биологически или химически загрязненной жидкости. Этим объясняется довольно высокий, по сравнению с другими методами, бактерицидный эффект.

Разработаны методики приготовления микропористой жидкости заданных параметров (пористость жидкости достигает 95÷98%) методом взрывного кипения.

Это перспективное направление в области интенсификации массообменных процессов, и результаты работ могут быть использованы в нефтехимической, химической промышленности, энергетике, транспорте, авиационной и пищевой промышленности, быту, водоподготовке, очистке промышленных и сточных вод и.т.д. Технологические стадии при получении "активированного пористого топлива"

1. Предварительное барботирование газами под давлением исходного топлива (например, авиационного керосина и др. жидкостей) с использованием диспергатора;
2. Последующее пропускание его через кавитатор, в котором происходит дальнейшее дробление пузырьков;
3. Ударно-волновая обработка газодисперсной смеси;
4. Распыл этой смеси в поток воздуха

В настоящее время разработаны следующие технологии деструкции химзагрязненных вод:

• Глубокая очистка сточных вод коксохимического производства;
• Разложение ароматических соединений, находящихся в водном растворе;
• Окисление фенола частицами ОН, Н, О и О₃, образующимися в реакторе;
• Разложение дихлорэтана и хлорбензола, растворенных в воде;
• Разложение муравьиной кислоты в различных окислительных процессах.
• Разложение высококонцентрированного водного раствора натриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты под действием электрического разряда.
• Плазмохимические реакции удаляют неорганические и органические примеси различного происхождения и концентрации (от миллиграммов до граммов на литр). Плазма газового разряда выжигает цианиды, поверхностно-активные вещества (которых так много в моющих средствах), нефтепродукты, отходы жизнедеятельности людей и животных, токсины.
• Технологии плазменной очистки позволяют избавиться от тяжелых металлов - меди, цинка, железа, ртути, молибдена, алюминия, кобальта, хрома, - а также от радионуклидов.
• Высокую эффективность достигнута как при очистке загрязненных вод от высокооктанового бензина с добавками метилтретбутилового эфира (MTBE), так и при очистке загрязненной нефтепродуктами морской воды.
• Процесс полностью уничтожает болезнетворные бактерии и вирусы;

Если сравнивать такие системы с аппаратами, ныне используемыми на практике, становится ясно, что применять новые технологии значительно выгоднее. Они позволяют очищать воду от сложно удаляемых загрязнителей, одновременно обеспечивая обеззараживание без каких-либо химических реактивов.

Производительность плазменных установок может варьироваться от малой до средней (несколько сотен кубометров в час). Новые системы совместимы с уже находящимися в эксплуатации и без значительных затрат на любом этапе технологического процесса легко встраиваются в действующие комплексы водоочистки, повышая их эффективность. И, наконец, эти системы требуют сравнительно небольших капиталовложений при высокой конкурентоспособности по критерию "эффективность / стоимость".

Отличительные черты метода - высокая скорость и эффективность обработки воды. Эти обстоятельства наряду с нечувствительностью к оптическим свойствам жидкости позволяют с большой долей вероятности использовать данный метод также и в обработке сточных, речных, промывных и шахтных вод.