Установка и способ обработки балластной воды посредством излучающих уф средств и катализаторов

Установка и способ обработки балластной воды посредством излучающих уф средств и катализаторов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к способу обработки жидкостей, а в частности к очистке жидкостей с целью удаления или разрушения вредных организмов в жидкости посредством фотокаталитических реакций.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Все большее и большее внимание привлекает воздействие загрязненных жидкостей, а в особенности воды, на окружающую среду. Получение чистой и незагрязненной воды стало основной проблемой по всему миру. Эта проблема касается как пресной воды, так и морской воды. Во многих регионах мира снабжение пресной водой ограничено, в то время как многие источники пресной воды загрязнены человеком.

Что касается морской воды, то в течение многих десятилетий все виды вредных и загрязняющих веществ, таких как химикаты, сырая нефть, бензин, тяжелые металлы и сажа из заводских труб, сбрасывают в моря, и эти загрязняющие вещества влияют на тонкое биологическое равновесие в морях.

На биологическое равновесие в морях человек также воздействует путем манипуляций с балластной водой. Суда укомплектованы цистернами для балластной воды, которые заполняют для того, чтобы уравновесить их, если суда не полностью нагружены грузом. То есть, если судно выгрузило свой груз в порту, например в Черном море, а затем получило указание взять другой груз в порту в Красном море, то цистерны для балластной воды заполняют морской водой из Черного моря. Когда затем это судно достигает порта в Красном море, цистерны для балластной воды опорожняют, чтобы принять новый груз. Таким образом, виды организмов, которые находились в воде из Черного моря, транспортируют в Красное море. Перемещенные виды организмов могут полностью отличаться от обычных видов организмов Красного моря, и, таким образом, это может вызвать значительные экологические проблемы. Хорошо известно, что виды организмов, которые перемещают из их обычного окружения в новую среду, могут вызывать большие проблемы, например, из-за того, что они не имеют обычных врагов в этом новом окружении, из-за того, что местные виды заражаются заболеваниями от привнесенных видов и погибают, и т.д. Просто для примера можно упомянуть несколько видов организмов, которые при распространении создают большую экологическую проблему; такими являются холера, бурые водоросли, ядовитые водоросли и мидии. Было оценено, что в мире перемещают около 3-5 биллионов тонн балластной воды. Таким образом, не удивительно, что это стало основной проблемой, и Международная Морская Организация при Организации Объединенных Наций издала конвенцию, в соответствии с которой начиная с 2009 года ко всем коммерческим судам выдвинуто требование, чтобы они были снабжены специальными системами для обработки балластной воды и использовали их.

Были разработаны многочисленные системы для обработки и очистки воды, например, химическими реагентами, где обычно используют хлорид. Для того чтобы снизить отрицательное влияние, которое многие химикаты оказывают на окружающую среду, были разработаны системы, которые не используют химикатов, но основаны на других эффектах для того, чтобы убить организмы в воде и очистить ее.

В ряде стран были разработаны способы очистки воды озоном (О₃) в установках для получения питьевой воды и оборудовании бассейнов, а также озоном, растворенным в воде, для очистки, дезинфекции и стерилизации изделий. Реакционную способность озона (электрохимический окислительный потенциал 2,07B) приписывают тому факту, что он является мощным окислителем. Высокая химическая реакционная способность связана с нестабильной электронной конфигурацией, которая имеет сродство к электронам других молекул, что, таким образом, означает, что образуются свободные радикалы. В этом процессе молекула озона распадается. За счет своего окислительного воздействия озон активно действует на некоторые неорганические и органические вещества.

Его окислительное воздействие на некоторые углеводороды, сахариды, пестициды и т.д. может означать, что озон является хорошим выбором химиката в некоторых процессах. Сочетание озона, кислорода, перекиси водорода и УФ излучения подразумевает, что реакция протекает значительно более быстро и более эффективно в силу образования большего количества свободных радикалов. Для разрушения организмов и превращения их в безопасные используют фотолитические и фотокаталитические процессы, и для этой цели применяют свет с различными длинами волн. Одним из обычных применяемых спектров является УФ излучение, в котором некоторые длины волн являются более эффективными для достижения требуемого эффекта, чем другие. Например, длины волн ниже 200 нм дают хороший эффект, заключающийся в образовании озона из кислорода в жидкости, и этот озон взаимодействует с организмами. Для того чтобы увеличить этот эффект, в некоторых способах применяют дополнительный кислород, чтобы ускорить образование озона.

Другим способом является облучение полученного озона УФ излучением с определенной длиной волны, чтобы разрушить озон и образовать радикалы, которые являются более агрессивными, чем озон. Такой способ описан в ЕР 0800407, в котором среду, предназначенную для обработки, вводят в какую-либо закрытую форму. В закрытой форме среду облучают УФ излучением с распределением спектра в диапазоне 130-400 нм.

Длины волн ниже 200 нм, в частности, превращают кислород в этой среде в молекулы озона (О₃). Образованные молекулы озона в то же время разлагают облучением в вышеупомянутом диапазоне длин волн, особенно при длинах волн до 400 нм. В то же время, образованный O₂ разлагается с образованием атомарного кислорода.

Для того чтобы увеличить эффективность при образовании свободных радикалов, в частности радикалов НО^,, применяют катализаторы, размещенные в зоне, где озон разлагается до свободных радикалов. Применяемые в качестве катализаторов материалы могут включать металл и/или оксиды металлов, например, благородные металлы, оксид алюминия, оксид титана, оксид кремния и их смеси.

В некоторых областях применения, таких как обработка морской воды, имеющей высокое содержание солей, вышеупомянутые способы создания и разрушения озона не работали так успешно, как это предполагали, поскольку хлорид-ионы в морской воде поглощали УФ длины волн, необходимые для получения озона.

Целью данного изобретения является использование комбинированного положительного эффекта образования озона, и в то же время, разрушения озона с образованием свободных радикалов в области, где присутствуют катализаторы, для поддержания образования свободных радикалов, что составляет основу изобретения согласно ЕР 0800407, очень эффективным образом для того, чтобы обеспечить очень высокие степени очистки и уничтожения организмов.

Этой цели достигают за счет отличительных признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные примеры реализации данного изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с основным аспектом данного изобретения его отличительным признаком является установка для обработки балластной воды, включающая корпус, содержащий излучающие УФ средства, и катализаторы, выполненные в виде ряда пластин, снабженных средствами создания турбулентности и перемешивания, отличающаяся тем, что указанные каталитические пластины установлены в указанном корпусе и снабжены средствами для создания турбулентности и перемешивания, выбранными из одного или более средств из группы, состоящей из отверстий, дырок, просечек, рельефа, полученного прессованием, рифления и канавок.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения каталитические пластины расположены таким образом, что излучающие УФ средства проходят сквозь каталитические пластины.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения излучающие УФ средства излучают свет в диапазоне примерно от 130 до 400 нм. Предпочтительно, излучающие УФ средства излучают свет по меньшей мере в областях 187 нм и 254 нм.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения катализаторы включают металл, оксиды металлов, или и то, и другое, такие как благородные металлы, оксид алюминия, оксид титана, оксид кремния и их смеси.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения установка также включает отражающие УФ свет средства.

В соответствии с одним из примеров реализации отражающие УФ свет средства представляют собой средства, выполненные из ПТФЭ.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения указанные излучающие УФ средства включают УФ лампы; указанные УФ лампы установлены в продолговатых, прозрачных для УФ света трубках, и указанные трубки установлены обычно перпендикулярно к направлению потока жидкости.

В соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения указанные катализаторы выполнены в виде ряда пластин, уложенных в блоки, с некоторым расстоянием между пластинами, а указанные лампы проходят сквозь указанные блоки, где указанные пластины обычно проходят параллельно направлению течения жидкости.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения в указанном корпусе установлен ряд ламп так, что каждая лампа проходит сквозь блок пластин, и между соседними блоками имеется некоторое расстояние, позволяющее при входе жидкости в указанные блоки и при выходе из них создавать турбулентность и перемешивание.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения указанные пластины имеют такую форму поперечного сечения, что передние кромки являются острыми, а задние кромки являются тупыми.

Данное изобретение имеет ряд преимуществ в сравнении с известными устройствами в данной области техники. Очень эффективный способ получения озона и, в то же время, разложения озона на свободные радикалы при использовании катализаторов сочетают с очень тщательным перемешиванием и созданием турбулентности для обеспечения того, чтобы каждый объем жидкости, проходящей через реакционную зону, был доступен для действия свободных радикалов, что обеспечивает очень полную обработку. Турбулентность и перемешивание получают с помощью многих составляющих по данному изобретению. Одной из составляющих является расположение и форма ламп; расположение катализаторов как относительно ламп, так и относительно направления потока, а также форма и строение поверхности, вносят вклад в тщательное перемешивание, и в этой связи, в предотвращение мертвых зон вблизи поверхностей катализатора, где радикалы наиболее активны. Таким образом, важным является то, что оптимизируют передачу света от ламп к активной поверхности катализаторов, транспортировку организмов в области вблизи этих поверхностей и транспортировку радикалов от этих поверхностей в объем жидкости.

Поскольку по меньшей мере отдельные части внутренних поверхностей снабжены средствами, увеличивающими отражение, УФ излучение, испускаемое средствами создания УФ излучения, используют в значительно большей степени, чем если бы некоторое количество УФ излучения поглощалось, что приводит, таким образом, к более эффективному процессу обработки. Кроме того, снижается необходимая мощность.

Внутренние поверхности могут быть покрыты подходящими материалами, которые обладают повышенными отражающими свойствами. Предпочтительно такие материалы также способны выдерживать жесткие условия внутри установки для обработки и агрессивное воздействие обрабатываемой жидкости. Материалы также должны быть стойкими к образованию накипи, которая иначе снижает отражающий эффект при эксплуатации.

Эти и другие аспекты и преимущества данного изобретения станут очевидными из последующего подробного описания и сопровождающих чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В подробном описании сделаны ссылки на сопровождающие чертежи, где:

На Фиг.1 представлен собой общий вид системы для обработки балластной воды, включающей данное изобретение;

На Фиг.2 схематически показан возможный пример реализации установки для обработки по данному изобретению;

На Фиг.3 показан пример конструкции блока каталитических пластин по данному изобретению;

На Фиг.4 показан пример конструкции каталитической пластины;

На Фиг.5 показан другой пример конструкции каталитических пластин; и

На Фиг.6 показан еще один пример блока каталитических пластин определенной формы.

Теперь рассмотрим один из примеров реализации данного изобретения, в связи с чертежами. В данном изобретении используют так называемый усовершенствованный процесс окисления (УПО) для обработки воды, где применяют короткоживущие радикалы для проведения реакции с органическими веществами. В качестве одного из его применений, УПО можно использовать для обработки балластной воды в балластных цистернах корабля.

На Фиг.1 схематически представлена система для обработки балластной воды, включающая установку 10 для очистки с помощью УПО. Воду, поступающую в эту систему из моря, закачивают по впускной трубе 12 через фильтр 14, который удаляет более крупные компоненты и вещества, содержащиеся в воде. Затем вода проходит через установку 10 для очистки с помощью УПО перед тем, как поступает в балластные цистерны по выпускной трубе 16.

В установке для очистки с помощью УПО применяют три важных составляющих для обработки воды, протекающей через установку. Одной из них является средство, генерирующее УФ излучение, то есть излучение с длинами волн в пределах ультрафиолетового спектра, <380 нм, с энергиями, достаточными для проведения фотокатализа, и/или для прямого устранения микроорганизмов, и/или для прямого образования свободных радикалов в жидкости или растворенных в ней компонентах, и/или для прямого образования озона из кислорода, присутствующего в виде газа или растворенного в жидкости. Эти длины волн позволяют получить вторую составляющую, которая представляет собой образование озона в воде и одновременное разрушение озона с образованием свободных радикалов. Третьей составляющей является размещение катализаторов в реакционной зоне, где получают озон и свободные радикалы, чтобы увеличить количество свободных радикалов.

Одним из очень важных аспектов, который касается данного изобретения, является то, что вышеупомянутой обработке следует подвергать всю воду, протекающую через установку, то есть следует очищать всю протекающую воду. Для того чтобы достигнуть этого, очень важно подвергнуть весь объем воздействию трех вышеупомянутых составляющих, то есть следует удостовериться, что все объемы воды пройдут через вышеупомянутую реакционную зону или зоны. Ниже описан ряд аспектов данного изобретения, которые позволяют достигнуть этого; при этом главной задачей является получить очень хорошее перемешивание протекающей воды.

В соответствии с примером реализации, приведенным на Фиг.2, установка для очистки с помощью УПО включает кожух 20, в приведенном примере реализации в виде в основном вытянутого корпуса с прямоугольным сечением, с входом 22 и выходом 24 на каждом из концов этого корпуса. Когда вода поступает в корпус, она течет в направлении оси вытянутого корпуса, от входа к выходу. В корпусе, в продолговатых трубках 28 из кварцевого стекла, которые проходят между противоположными стенками камеры, установлен ряд источников 26 УФ света. Источники света соединены с подходящим источником энергии. Источники УФ света выбраны таким образом, что они испускают длины волн в диапазоне 130-400 нм, для превращения кислорода в среде в молекулы озона (О₃) и для разложения этих молекул озона.

В соответствии с одним из аспектов данного изобретения внутренние поверхности корпуса снабжены средствами, улучшающими отражение. Средствами, улучшающими отражение, снабжены или отдельные части внутренних поверхностей, или же все внутренние поверхности. Эти улучшающие отражение средства обеспечивают «повторное использование» УФ света, который излучают лампы. Это обеспечивает значительно лучший эффект, заключающийся в том, что свет, попадающий во внутреннюю часть установки для обработки, отражается и продолжает обрабатывать жидкость. Таким образом, отсутствует поглощение света, за счет чего уменьшается энергия, необходимая для УФ ламп.

Имеется большое количество материалов, которые могли бы быть пригодны в качестве улучшающих отражение средств. Одним из важных факторов является то, что материал должен выдерживать довольно агрессивные условия внутри установки, например, обладать стойкостью к коррозии и т.п.

Пригодными для этих целей являются некоторые полимерные материалы, в частности фторопласт, например, политетрафторэтилен (ПТФЭ). ПТФЭ имеет очень высокую отражающую способность и, таким образом, он пригоден в качестве улучшающего отражение материала. Кроме этого, ПТФЭ имеет очень низкий коэффициент трения, а также стоек в отношении агрессивных жидкостей, таких как морская вода. Это снижает или даже устраняет образование продуктов коррозии, а также снижает гидравлическое сопротивление в установке для обработки. В данном контексте следует понимать, что вместо ПТФЭ можно применять другие полимерные материалы, имеющие сходные свойства. К тому же полимерные материалы значительно дешевле, чем сталь или другие металлы. Кроме того, полимерный материал можно получить совместно с каталитическим материалом, таким как, например, металл и/или оксиды металлов (благородные металлы, оксид алюминия, оксид титана, оксид кремния и их смеси), например, в форме порошка, диспергированного в полимере.

Расположение ламп

Стеклянные трубки устанавливают по существу перпендикулярно направлению потока. В примере реализации, приведенном на Фиг.2, лампы расположены в два ряда, но они могут быть расположены и в один ряд, или же более чем в два ряда, в зависимости от энергетических потребностей. Из последующего описания следует понимать, что размещение ламп можно осуществить и другими способами, например, в шахматном порядке, то есть последовательно смещая их в направлении потока. Лампы также можно разместить радиально, если корпус представляет собой цилиндр. Важным моментом является то, что расположение ламп вызывает образование турбулентного потока и образует вихревое и турбулентное перемешивание. В этом контексте возможно также, чтобы корпуса ламп имели в сечении форму, отличную от круга, например, треугольную, многоугольную, овальную, звездообразную, что увеличивает перемешивание.

Размещение катализаторов

Кроме того, в корпусе размещен ряд пластин 30, которые проходят параллельно потоку и, таким образом, перпендикулярно к направлению ламп. Пластины уложены в блоки, на некотором расстоянии между ними. Пластины действуют как катализаторы для УПО, увеличивая количество получаемых радикалов. Таким образом, пластины изготовлены из материала с каталитическими свойствами, чтобы увеличить количество радикалов, получаемых в реакционных зонах. Материал может включать металл и/или оксиды металлов, например, благородные металлы, оксид алюминия, оксид титана, оксид кремния и их смеси. Число пластин и расстояние между ними выбирают так, чтобы оптимизировать, например, передачу света от ламп к активным поверхностям пластин; транспортировку организмов в область вблизи поверхностей пластин; и транспортировку свободных радикалов от поверхностей в объем жидкости.

Для того чтобы дополнительно увеличить турбулентность и перемешивание жидкости, между лампами можно установить дополнительные перегородки 32, прикрепленными к пластинам (Фиг.3), например, в форме цилиндров, которые также служат для обеспечения надлежащего расстояния между каталитическими пластинами. Лампы и перегородки можно разместить на различном расстоянии друг от друга, и/или они могут иметь различные размеры, чтобы создать асимметрию и, таким образом, перепады давления между различными объемами в реакторе, тем самым создавая перемешивание. Асимметрию можно создать как в направлении потока, так и перпендикулярно направлению потока. При этом дополнительные перегородки в направлении потока могут иметь различную ширину или диаметр так, чтобы каждая вторая перегородка была тоньше, а остальные перегородки были толще. Перегородки могут также иметь другие формы поперечного сечения, например, треугольную, многоугольную, овальную, звездообразную. Кроме того, перегородки могут быть покрыты отражающим материалом, таким как фторопласт, акриловый полимер и подобные им полимеры, обладающие такими свойствами.

Ввиду вышесказанного следует, однако, отметить, что асимметрию следует предварительно рассчитывать так, чтобы не создавать мертвых зон или путей потока, которые не подвергаются облучению оптимальным образом.

Конструкция катализаторов

Каталитические пластины предпочтительно сконструированы так, чтобы также увеличивать и/или способствовать турбулентности в реакционных зонах, а также они сконструированы так, чтобы увеличивать площадь поверхности. Существует ряд различных конструкций, конфигураций и их сочетаний, которые можно использовать. В соответствии с Фиг.4 каталитические пластины 30 выполнены из просечно-вытяжного металлического листа, таким образом, в пластине получают ряд отверстий или дырок 34. Одним из преимуществ просечно-вытяжного металлического листа является то, что кромки отверстий являются острыми, увеличивая таким образом турбулентность. Другими типами конструкции могут быть конструкции, снабженные просечками, рельефом, полученным прессованием, рифлением, канавками и т.п. Возможно также использовать плетеные структуры, тканые и нетканые полотна, проволочные сетки и т.п. Они также могут быть выполнены из светопроницаемого материала, такого как кварцевое стекло, стекловолокно или другие материалы, имеющие надлежащие свойства. Конструкция поверхностей пластин и/или структура пластин обеспечивает очень тонкий пограничный слой, поскольку в ином случае этот слой препятствует обмену текучей среды вблизи фотокаталитических поверхностей пластин, создавая мертвые зоны в потоке вблизи поверхности, где радикалы являются наиболее активными. Другими способами уменьшения толщины пограничного слоя может быть увеличение шероховатости поверхности катализаторов, например, путем нанесения на эти поверхности кварцевого песка.

Размер катализаторов

Существуют дополнительные меры, которые можно осуществить для того, чтобы увеличить турбулентность и перемешивание. На Фиг.5 показан пример реализации, где, в противоположность Фиг.2, пластины не проходят по всему корпусу, но являются «прерывными», обеспечивая сплошные пространства 36 между блоками каталитических пластин. Это вызывает турбулентность в жидкости, когда она выходит из блока, и дополнительную турбулентность, когда она сталкивается с последующим блоком так, что получают процесс: → фотокатализ → перемешивание → фотокатализ → перемешивание.

Для еще большего увеличения турбулентности при выходе из блока пластины могут иметь конструкцию поперечного сечения, при которой передняя кромка каждой пластины, то есть кромка, обращенная к потоку, является острой, а задняя кромка является тупой (Фиг.6).

Существуют и другие факторы, которые влияют на эффективность данной установки. Например, одним из таких факторов является расход, при этом более высокий расход уменьшает размеры пограничного слоя. С другой стороны, слишком высокий расход может привести к тому, что некоторый объем балластной воды будет проходить через зону обработки, не подвергаясь эффективной обработке. В этом аспекте важно, чтобы области входа и выхода были сконструированы соответствующим образом. Предпочтительно, углы α (Фиг.2), стенок входа и выхода составляют менее 15°, и предпочтительно, менее 7°. Кроме того, области входа и выхода могут быть снабжены направляющими пластинами, чтобы направлять поток жидкости в требуемых направлениях.

Следует понимать, что описанные выше и показанные на чертежах примеры реализации данного изобретения следует рассматривать только как неограничивающие примеры данного изобретения, и что их можно модифицировать многими способами в пределах области защиты, определенной формулой изобретения.

1. Установка для обработки балластной воды, включающая корпус, входное отверстие и выпускное отверстие, размещенные в указанном корпусе для обеспечения протекания жидкости через указанный корпус, излучающие УФ средства, размещенные в указанном корпусе, способные испускать излучение в реакционных зонах в указанном корпусе для создания свободных радикалов в указанных реакционных зонах, катализаторы, размещенные в указанных реакционных зонах, способные увеличивать количество свободных радикалов, средства для создания турбулентности и перемешивания, размещенные в указанном корпусе, способные обеспечивать перемешивание указанной жидкости в указанных реакционных зонах, причем указанные катализаторы входят в состав указанных средств для создания турбулентности и перемешивания, указанные средства для перемешивания включают ряд пластин и пластины снабжены одним или более средствами, выбранными из группы, состоящей из отверстий, дырок, просечек, рельефа, полученного прессованием, рифления и канавок, отличающаяся тем, что каталитические пластины расположены, по существу, параллельно потоку, протекающему через указанный корпус, а излучающие УФ средства расположены, по существу, перпендикулярно потоку, протекающему через указанный корпус, так что они вызывают турбулентность и перемешивание указанной жидкости, проходящей через указанные излучающие УФ средства.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что указанные излучающие УФ средства включают УФ лампы; причем указанные УФ лампы расположены в продолговатых проницаемых для УФ трубках и указанные трубки расположены в основном перпендикулярно направлению потока жидкости.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что указанные катализаторы в указанном корпусе расположены и выполнены таким образом, что они вызывают турбулентность и перемешивание указанной жидкости, проходящей через указанные катализаторы.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что указанные катализаторы выполнены в виде ряда пластин, уложенных в блоки с некоторым расстоянием между пластинами, при этом указанные лампы проходят сквозь указанные блоки и указанные пластины проходят параллельно направлению течения жидкости.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что в указанном корпусе установлен ряд ламп, причем каждая лампа проходит сквозь блок пластин, и между соседними блоками имеется расстояние, что даст возможность создать турбулентность и перемешивание жидкости, когда она входит в указанные блоки и выходит из них.

6. Установка по пп.4 и 5, отличающаяся тем, что указанные пластины имеют такую форму поперечного сечения, что передние кромки являются острыми, а задние кромки являются тупыми.