Спосіб очистки води від органічних речовин природного і антропогенного походження

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Спосіб очистки води від органічних речовин природного і антропогенного походження, що включає обробку останньої озоном у присутності високодисперсного діоксиду титану, який відрізняється тим, що процес обробки здійснюють при одночасній дії УФ-випромінювання зі швидкістю подачі озону 1,0-4,0 мг/(дм3·хв).

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що використовують УФ-випромінювання з довжиною хвилі в діапазоні 200-315 нм.

Текст

Реферат: Спосіб очистки води від органічних речовин природного і антропогенного походження включає обробку останньої озоном у присутності високодисперсного діоксиду титану. При цьому процес обробки здійснюють при одночасній дії УФ-випромінювання зі швидкістю подачі озону 1,0-4,0 3 мг/(дм ·хв). UA 86502 U (12) UA 86502 U UA 86502 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області обробки води, промислових і побутових стічних вод, зокрема, до фотокаталітичного окиснення органічних речовин і може бути використаний для глибокої деструкції природних і синтетичних органічних домішок, що забезпечує захист навколишнього середовища й здоров'я людини. Відомий спосіб очистки води від органічних сполук озонуванням останньої в присутності каталізатора (Пат. 2394777 РФ, МПК (2006.01) С02F 1/32, С02F 103/02. - Опубл. 20.07.2010, Бюл. № 20) [1]. Для здійснення очистки води від органічних забрудників проводять обробку останньої озоном з озоно-повітряної суміші, що подається, у присутності твердого каталізатора, яким є 3 блоки з високопористої (ячеїстої) міді (розміром не більше 10×10×10 мм) у кількості 1-10 г/дм . 3 3 Озоно-повітряну суміш (ОПС), що містить 10-30 мг/дм озону, подають зі швидкістю 0,5-2 дм /хв. Після обробки протягом 1-40 хв. (залежно від кількості каталізатора, що застосовують) досягається розклад 70-100 % забрудника, присутнього у вихідному розчині (щавлевої кислоти, формаліну, метиленового синього). Із представлених в описі відомого способу [1] даних (приклади 1, 2, 4) випливає, що таким способом досягається зниження концентрації цільового забрудника (щавлевої кислоти при 3 3 концентрації 10 і 1 ммоль/дм , формаліну при концентрації 5 ммоль/дм ) на 70-90 % при витратах озону відповідно 2,4, 7,8 і 2,1 моль О 3 на 1 моль загального органічного вуглецю (ЗОВ). Як недолік відомого способу [1] слід зазначити недостатньо високий ступінь деструкції домішок, як ми вважаємо, через обмежену площу контакту рідкої й твердої фаз при використанні блокового каталізатора. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі за технічною суттю й результатом, що досягається, є спосіб очистки води від органічних забрудників (на прикладі щавлевої кислоти), описаний у статті (Beltran F.J., Rivas F.J., Montero-de-Espinosa R. Catalytic ozonation of oxalic acid in an aqueous TiO2 slurry reactor // Applied Catalysis B: Environmental. - 2002. - V. 39. - P. 221-231) [2]. 3 У відомому способі [2] модельний розчин щавлевої кислоти при концентрації 8 ммоль/дм , 3 3 тобто, 720 мг/дм , і вмісті загального органічного вуглецю (ЗОВ) - 192 мг/дм обробляють озоном, що подається у вигляді озоно-кисневої суміші (ОКС), у присутності каталізатора. Як каталізатор використовують високодисперсний порошок оксиду титану (IV) (диоксиду титану) 3 фірми "Aldrich" (~ 100 % анатазу) при концентрації - 1-6 г/дм . 3 У відомому способі [2] швидкість подачі озону, тобто добуток швидкості подачі ОКС (дм /хв.) 3 на концентрацію озону в ній (мг/дм ), варіювали, змінюючи як швидкість подачі ОКС (0,23 3 0,8 дм /хв.), так і концентрацію озону в ОКС (7-55 мг О3/дм ). Швидкість подачі озону (νоз) є одним з технологічних параметрів, що істотно впливають на ступінь деструкції субстрату. При 3 оптимальних параметрах каталітичного озонування (νоз - 27,5-30 мг/(дм ·хв) та концентрації 3 TiO2-3,75 г/дм ) ступінь деструкції щавлевої кислоти складав 80-100 % за 3 год. Як випливає з технічної сутності відомого способу [2], недоліками останнього є: - достатньо велика тривалість процесу очистки; - підвищена питома витрата озону, обумовлена високою й технологічно не раціональною швидкістю подачі озону; так, згідно з нашими розрахунками, питома витрата озону, яка забезпечувала повний розклад щавлевої кислоти (на 100 % за ЗОВ) відомим способом [2], становила 6,45 моль О3/моль ЗОВ. Слід також зазначити, що одержання озону з кисню економічно недоцільне в технології очистки води від органічних домішок. Нами були проведені досліди з оцінки ефективності відомого способу [2] при очищенні води від фульвокислот і аніонних поверхнево-активних речовин (АПАР). Як відомо, основну фракцію органічних домішок природних вод становлять гумінові й фульвокислоти (переважно фульвокислоти) (Линник П.Н., Васильчук Т.А. Роль гумусових веществ в процессах комплексообразования и детоксикации (на примере водоемов Днепра) // Гидробиол. журн. 2001. - Т. 37, № 5. - С. 98-112) [3]. Згідно з нашими даними, а також оцінками інших дослідників (Клименко Н.А., Самсони-Тодорова Е.А., Савчина Л.А. и др. Сезонные колебания содержания различных форм органического углерода в днепровской воде и их изменения в процессах водоподготовки // Химия и технология воды. - 2012. - Т. 34, № 2. - С. 195-205) [4], сумарна 3 концентрація органічних домішок у річковій воді коливається від 5 до 25 мг/дм за ЗОВ. Крім того, до найпоширеніших домішок антропогенного походження, присутніх у промислових і побутових стічних водах, належать синтетичні поверхнево-активні речовини, зокрема аніонні (АПАР). Як об'єкт дослідження був використаний водний розчин АПАР - алкілбензолсульфонату натрію (АБС). Як каталізатор використовували комерційний TiO2 Degussa Р-25 (Chong M.N., Jin 1 UA 86502 U 5 10 15 20 25 30 35 В., Chow C.W.K., Saint С. Recent developments in photocatalytic water treatment technology: a review // Water Res. - 2010. - V. 44, N 10. - P. 2997-3027) [5]. 3 Модельний розчин фульвокислот (ФК) при вихідній концентрації 17,8 мг/дм за ЗОВ й рН 6,2 3 у присутності 0,5 г/дм TiO2 Degussa Р-25 обробляли озоном з озоно-повітряної суміші, що 3 подається, зі швидкістю подачі озону (νоз) - 3,2 мг/(дм ·хв.) протягом 3 год. Ступінь деструкції ФК за ЗОВ складав 50 % при питомій витраті озону 16,2 моль О3/моль ЗОВ. Модельний розчин алкілбензолсульфонату натрію (АБС) при вихідній концентрації 3 3 29,0 мг/дм за ЗОВ й рН 5,8 у присутності 0,5 г/дм TiO2 Degussa Р-25 обробляли озоном з 3 озоно-повітряної суміші, що подається, зі швидкістю подачі озону (νоз) - 2,4 мг/(дм ·хв) протягом 3 год. Ступінь деструкції АБС за ЗОВ складав 21 % при питомій витраті озону 17,7 моль О3/моль ЗОВ. Таким чином, реалізація відомого способу [2] не забезпечує глибоку очистку води від фульвокислот і алкілбензолсульфонату натрію навіть при тривалій обробці. В основу корисної моделі поставлена задача розробити спосіб фотокаталітичної очистки води від органічних речовин природного і антропогенного походження, у якому одночасне використання озону, каталізатора та УФ-випромінювання забезпечило б високий ступінь очистки води за рахунок практично повної деструкції зазначених органічних речовин при менших тривалості й питомих витратах окисника. Для вирішення поставленої задачі запропонований спосіб очистки води від органічних речовин природного і антропогенного походження, що включає обробку останньої озоном у присутності високодисперсного диоксиду титану, у якому, згідно з корисною моделлю, процес обробки здійснюють при одночасній дії УФ-випромінювання зі швидкістю подачі озону 1,03 4,0 мг/(дм ·хв), причому використовують УФ-випромінювання з довжиною хвилі в діапазоні 200315 нм. Нами встановлено, що в процесі очистки води від фульвокислот, гумінових кислот і алкілбензолсульфонату натрію в умовах, що заявляються, одночасна дія озону, TiO2 і УФвипромінювання призводить до синергічного ефекту, який полягає в досягненні істотно вищого ступеня деструкції вказаних речовин за ЗОВ. Відомо, що значне збільшення швидкості й підвищення ступеня деструкції (мінералізації) органічних сполук при фотокаталітичному окисненні озоном обумовлене підвищенням концентрації високоактивних ОН-радикалів, які окиснюють більшість органічних сполук неселективно та з високою швидкістю (Ilisz I, Bokros A., Dombi A. TiO2-based heterogeneous photocatalytic water treatment combined with ozonation // Ozone: Sci. and Eng.-2004. - V. 26. - P. 585-594) [6]. У способі, що заявляється (О3/ТіО2/УФ), генерування ОН-радикалів відбувається ефективно як на поверхні ТіО2, так і при розкладі озону в об'ємі розчину під дією УФвипромінювання при λ=200-315 нм. Зазначене вище підтверджується даними, представленими в табл. 1, на прикладі розчинів 3 фульвокислот при різній їхній концентрації, оброблених озоном у присутності 0,5 г/дм TiO2 Degussa P-25 протягом 0,5 год. 40 Таблиця 1 № п/п 1 2 45 50 Умови окиснення О3/ТіО2 О3/УФ О3/ТіО2/УФ О3/ТіО2 О3/УФ О3/ТіО2/УФ Вихідна концентрація ФК, Швидкість подачі озону Ступінь деструкції ФК 3 3 мг/дм за ЗОВ (νоз), мг/(дм ·хв.) за ЗОВ, % 19 8,1 3,3 56 92 28 17,8 4,0 51 93 Так, при каталітичному озонуванні без УФ-опромінення (О3/ТіО2) розчину ФК із 3 3 концентрацією 8,1 мг/дм за ЗОВ при швидкості подачі озону (νоз) - 3,3 мг/(м ·хв) ступінь деструкції ФК становив 19 % за ЗОВ; при О3/УФ-обробці без ТіО2-56 % за ЗОВ, а при фотокаталітичному озонуванні (О3/ТіО2/УФ) - 92 % за ЗОВ (приклад 1). Таким чином, ступінь деструкції ФК за ЗОВ при фотокаталітичному озонуванні на 17 % перевищував сумарне зниження ЗОВ при окисненні розчинів ФК за допомогою О3/ТіО2 і О3/УФ. 3 Аналогічний ефект отримано і при збільшенні концентрації ФК до 17,8 мг/дм за ЗОВ, тобто, ступінь деструкції ФК за ЗОВ при фотокаталітичному озонуванні був на 14 % вищим, ніж сумарне зниження ЗОВ при окисненні розчинів ФК за допомогою О3/ТіО2 і О3/УФ (приклад 2). 2 UA 86502 U 5 10 15 20 25 30 Слід зазначити, що високий ступінь деструкції органічних речовин при реалізації способу, що заявляється, досягається за коротший час і при значно менших питомих витратах озону. Таким чином, сукупність істотних ознак способу очистки води від органічних речовин, що заявляється, є необхідною й достатньою для досягнення технічного результату, який забезпечується корисною моделлю - високого ступеня деструкції (мінералізації) природних і синтетичних органічних речовин (92-100 % за ЗОВ) при тривалості обробки 20-90 хв. і питомих витратах озону 1,4-3,2 моль О3/моль ЗОВ. Спосіб реалізується наступним чином. Обробці піддавали модельні розчини органічних речовин природного походження: - розчини фульвокислот (ФК), вилучених з води р. Дніпро (елементний склад (%): С - 36,8, Н 3 - 3,9, О - 56,2, N-1,2, S-1,9), при вихідній концентрації 5,0-17,8 мг/дм за ЗОВ й рН 6,0-6,2; - розчин комерційної гумінової кислоти (ГК) фірми "Fluka" (елементний склад (%): С - 46,63, 3 Н - 4,3, N-0,72, зольність - 20) при вихідній концентрації 3,8 мг/дм за ЗОВ й рН 7,8; і антропогенного походження: - розчини розповсюдженої АПАР - алкілбензолсульфонату натрію (АБС), формула 3 -С12Н25-С6Н4-SО3Na, при вихідній концентрації 3,6 і 29,0 мг/дм за ЗОВ й рН 5,8. Як каталізатор використовували комерційний ТіО2 Degussa P-25 (70-80 % анатазу, 20-30 % 2 рутилу, питома поверхня (SБЕТ) - 38,8 м /г, розмір часток ~ 30 нм) [5]. При очистці води, яка містить органічні речовини природного та антропогенного походження при концентрації 3,63 3 29,0 мг/дм за ЗОВ, використовували ТіО2 Degussa P-25 у кількості 0,5 г/дм . Модельні розчини зазначених органічних речовин змішували з високодисперсним діоксидом титану. Отриману суспензію обробляли в барботажному реакторі озоно-повітряною сумішшю зі 3 швидкістю подачі озону 1-4 мг/(дм ·хв.) і одночасному УФ-опроміненні за допомогою ртутнокварцових ламп. Використовували лампи низького тиску, наприклад, марок ДБ і ДРБ, потужністю 15 Вт, які випромінюють світло в діапазоні довжин хвиль 200-315 нм. Обробку розчинів здійснювали протягом 20-90 хв. Каталізатор відокремлювали від очищеної води за допомогою, наприклад, центрифугування або фільтрування. Концентрацію ФК, ГК і АБС у вихідній і очищеній воді визначали за концентрацією загального органічного вуглецю (ЗОВ) на аналізаторі Shimadzu TOC-VCSN. Ступінь деструкції ФК, ГК і АБС розраховували за формулою: ЗОВв их  ЗОВ очищ   100 % , C дестр.  ЗОВв их де ЗОВв их - концентрація органічної речовини у вихідному модельному розчині, мг/дм за ЗОВ; ЗОВ очищ - залишкова концентрація органічної речовини після очистки, мг/дм 3 за ЗОВ. 3 35 40 45 50 55 Приклади виконання за корисною моделлю. Приклад 1. 3 Розчин фульвокислот (ФК) при вихідній концентрації 17,8 мг/дм за ЗОВ й рН 6,2 змішували 3 з 0,5 г/дм ТіО2 Degussa P-25. Отриману суспензію обробляли у кварцовому реакторі барботажного типу озоном з озоно-повітряній суміші (ОПС), що подавалась знизу через 3 диспергатор, зі швидкістю подачі озону (νоз) - 4,0 мг/(дм ·хв.). Процес обробки здійснювали протягом 30 хв. при одночасному УФ-опроміненні за допомогою ртутно-кварцової лампи низького тиску ДРБ-15 (λмакс=254 нм). Після відділення каталізатора центрифугуванням (8000 об/хв.) визначали концентрацію 3 органічних речовин в очищеній воді, яка становила 1,2 мг/дм за ЗОВ, і розраховували ступінь деструкції ФК. 17,8  1,2  100 %  93 % Cдестр.  17,8 . Питома витрата озону складала 1,8 моль О3/моль ЗОВ при ступені деструкції ФК за ЗОВ 93 % (табл. 2, приклад 1). Приклад 2. 3 Модельний розчин гумінової кислоти (ГК) при вихідній концентрації 3,8 мг/дм за ЗОВ й рН 3 7,8 змішували з 0,5 г/дм ТіО2 Degussa P-25. Отриману суспензію обробляли у кварцовому реакторі барботажного типу озоном з озоно-повітряній суміші (ОПС), що подавалась знизу 3 через диспергатор, зі швидкістю подачі озону (νоз) - 1,0 мг/(дм ·хв.). Процес обробки здійснювали протягом 20 хв. при одночасному УФ-опроміненні за допомогою ртутно-кварцової лампи низького тиску ДБ-15 (λмакс=254 нм). 3 UA 86502 U 5 10 15 20 Після відділення каталізатора центрифугуванням (8000 об/хв.) концентрація органічних 3 речовин в очищеній воді становила 0,3 мг/дм за ЗОВ. Розраховували ступінь деструкції ГК за формулою: 3,8  0,3  100 %  92 % . Cдестр.  3,8 Питома витрата озону складала 1,4 моль О3/моль ЗОВ при ступені деструкції ГК за ЗОВ 92 % (табл. 2, приклад 6). Приклад 3. Модельний розчин алкілбензолсульфонату натрію (АБС) при вихідній концентрації 3 3 29,0 мг/дм за ЗОВ й рН 5,8 змішували з 0,5 г/дм ТіО2 Degussa P-25. Отриману суспензію обробляли у кварцовому реакторі барботажного типу озоном з озоно-повітряній суміші (ОПС), 3 що подавалась знизу через диспергатор, зі швидкістю подачі озону (νоз) - 2,4 мг/(дм ·хв.) Процес обробки здійснювали протягом 90 хв. при одночасному УФ-опроміненні за допомогою ртутнокварцової лампи низького тиску ДБ-15 (λмакс=254 нм). В очищеній воді, після відокремлення каталізатора центрифугуванням (8000 об/хв.), були 3 виявлені лише слідові кількості ЗОВ, а саме 90 % за ЗОВ), що мінімізує можливість утворення побічних продуктів при заключному знезаражуванні води для питних цілей і впливу їх на здоров'я людини. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 1. Спосіб очистки води від органічних речовин природного і антропогенного походження, що включає обробку останньої озоном у присутності високодисперсного діоксиду титану, який відрізняється тим, що процес обробки здійснюють при одночасній дії УФ-випромінювання зі 3 швидкістю подачі озону 1,0-4,0 мг/(дм ·хв). 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що використовують УФ-випромінювання з довжиною хвилі в діапазоні 200-315 нм. 30 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5

Дивитися

Додаткова інформація

Автори англійською

Honcharuk Vladyslav Volodymyrovych, Vakulenko Vira Fedorivna, Shvadchyna Yuliia Olehivna, Sova Anatolii Mykytovych

Автори російською

Гончарук Владислав Владимирович, Вакуленко Вера Федоровна, Швадчина Юлия Олеговна, Сова Анатолий Никитович

МПК / Мітки

МПК: C02F 1/78, C02F 1/32

Мітки: антропогенного, органічних, очистки, спосіб, походження, речовин, природного, води

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/7-86502-sposib-ochistki-vodi-vid-organichnikh-rechovin-prirodnogo-i-antropogennogo-pokhodzhennya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб очистки води від органічних речовин природного і антропогенного походження</a>

Подібні патенти