PL182056B1 - Sposób zmniejszania zawartosci azotanów w wodzie i urzadzenie do zmniejszania zawartosci azotanów w wodzieka i/lub pompa dozujaca (58) do podawania lugu ze zbiornika (60), oraz ma programowana jednostke ste- PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób zmniejszania zawartosci azotanów w wodzie, zgodnie z którym w drugim etapie azotyny redu- kuje sie do azotu z uzyciem chem icznego srodka redukujacego, zwlaszcza kwasu amidosulfonowego w srodowi- sku wodnym, znam ienny tym, ze w pierwszym etapie azotany w oczyszczanej wodzie redukuje sie do azotynów droga napromieniania promieniowaniem UV cienkiej warstewki w ody poddawanej obróbce, przy czym dlugosc fali promieniowania U V stosowanego w pierwszym etapie sposobu odpowiada maksymalnej absorpcji przez jony azotanowe w srodowisku wodnym i zarazem minimalnej absorpcji przez wode, dlugosc fali promie- niowania UV miesci sie w zakresie od 200 do 240 nm, z tym ze w pierwszym etapie sposobu utrzymuje sie war- tosc pH w zakresie od 6 do 11, a zwlaszcza pH okolo 9-10. 8. Urzadzenie do zmniejszania zawartosci azotanów w wodzie, znam ienne tym, ze ma reaktor UV (10) do redukcji i polaczony z nim reaktor (12) do redukcji chemicznej, przy czym reaktor UV (10) do redukcji ma lampe UV (14), urzadzenie prowadzace ( 10a) do wytwarzania cienkiej warstewki wody poddawanej napromienianiu, co najmniej czesciowo otaczajace lampe UV (14) i przepuszczalne dla promieniowania UV lub je odbijajace, oraz pompe (38) tloczaca poddawana obróbce wode przez urzadzenie prowadzace, oraz korzystnie lustro (22) otaczajace urzadzenie prowadzace, przy czym reaktor UV (10) do redukcji jest polaczony za posrednictwem zbiornika zapasowego (40), poprzez zawór (44) z co najmniej jednym zbiornikiem reakcyjnym (4 6 , 48) reaktora (12) do redukcji chemicznej, polaczonym z pompa dozujaca (52) do podawania srodka redukujacego ze zbiorni- ka (54) i/lub pompa dozujaca (58) do podawania lugu ze zbiornika (60), oraz ma programowana jednostke ste- rujaca (68) zaworem (44) w funkcji czasu i pH wody cyrkulujacej w reaktorze UV (10). PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zmniejszania zawartości azotanów w wodzie i urządzenie do zmniejszania zawartości azotanów w wodzie.

W DE-A-4212604 ujawniono sposób uzdatniania surowej wody pitnej, zawierającej substancje organiczne, w tym środki ochrony roślin, polegający na poddawaniu jej działaniu promieniowania UV. Problemem technicznym leżącym u podstaw wynalazku było dostarczenie sposobu, umożliwiającego między innymi wyeliminowanie dodatkowej obróbki utleniającej przy uzdatnianiu wody pitnej. Stosuje się przy tym promieniowanie nadfioletowe o długości fali> 230 nm. W przypadku stosowania promieniowania o długości fal częściowo poniżej 230 nm równocześnie dodaje się substancji rozkładających azotyny.

Sposób ten umożliwia zniszczenie związków organicznych, a zwłaszcza środków ochrony roślin, takich jak atracyna, bez przemiany azotanów w azotyny.

W US-A-5 122496 przedstawiono urządzenie do obróbki wody zanieczyszczonej azotanami i/lub azotynami. Stosuje się przy tym katalizatory o określonych promieniach porów. Dla zniszczenia mikroorganizmów stosuje się lampę UV.

Wskutek zaostrzonych przepisów ustawowych co do jakości wody pitnej, w przypadku wielu stacji wodociągowych trzeba zmniejszyć resztkową zawartość azotanów, wynoszącą w używanych źródłach 50 mg/1 i więcej, do poniżej ustawowo dopuszczalnej wartości 25 mg/1, przy gospodarczo uzasadnionych kosztach i bez wprowadzania substancji zwykle nie występujących w normalnej wodzie pitnej.

Dla rozwiązania tego problemu proponuje się zgodnie z niniejszym wynalazkiem dwuetapowy sposób zmniejszania zawartości azotanów w wodzie, zgodnie z którym w pierwszym etapie azotany w oczyszczanej wodzie redukuje się do azotynów drogą napromieniania promieniowaniem UV cienkiej warstewki wody poddawanej obróbce, przy czym długość fali promieniowania UV stosowanego w pierwszym etapie sposobu odpowiada maksymalnej absorpcji przez jony azotanowe w środowisku wodnym i zarazem minimalnej absorpcji przez wodę, długość fali promieniowania UV mieści się w zakresie od 200 do 240 nm (nanometrów), z tym, że w pierwszym etapie sposobu utrzymuje się wartość pH w zakresie 6-11, a zwłaszcza pH

182 056 około 9-10. W środowisku wodnym zachodzi redukcja azotanów do azotynów z równoczesnym uwalnianiem tlenu.

Długość fali promieniowania UV stosowanego w pierwszym etapie sposobu odpowiada maksymalnej absorpcji przez jony azotanowe w środowisku wodnym, a zarazem minimalnej absorpcji przez wodę, przy czym długość fali promieniowania UV mieści się w zakresie 200-240 nm, a w tym pierwszym etapie sposobu wartość pH wynosi 8-11.

W drugim etapie sposobu, tak otrzymane azotyny redukuje się całkowicie do azotu z użyciem chemicznego środka redukującego.

W drugim, chemicznym etapie sposobu można stosować ekonomicznie opłacalne chemikalia wytwarzane na duża skalę i dopuszczalne do stosowania w wodzie pitnej, jak np. kwas amidosulfonowy. W pierwszym etapie nie przechodzą do wody w zauważalny sposób żadne niepożądane chemikalia.

W ten sposób uzyskuje się łącznie skuteczne i ekonomiczne zmniejszenie zawartości azotanów.

W pierwszym, fotochemicznym etapie sposobu jest korzystne, gdy kwanty oddawane przez źródło promieniowania stosowane w procesie są możliwe w pełni wykorzystywane przez objętość wody poddawanej działaniu promieniowania.

Korzystnie, w pierwszym etapie obróbki wodę poddaje się działaniu promieniowania UV, stosując taką prędkość przepływu wody, aby poddawana działaniu promieniowania UV warstewka wody charakteryzowała się przepływem burzliwym.

Ponadto w korzystnej realizacji sposobu według wynalazku stosuje się prędkość przepływu wody wynoszącą od około 0,5 m/s do około 2,5 m/s.

Korzystnie, przez cały czas trwania pierwszego etapu sposobu utrzymuje się wartość pH wody powyżej 6, korzystnie dodając NaOH.

Korzystnie, w pierwszym etapie sposobu wodę wielokrotnie przeprowadza się przez obszar poddawany działaniu promieniowania UV.

Korzystnie, sposób według wynalazku prowadzi się metodą przepływową.

W korzystnej realizacji sposobu według wynalazku utrzymuje się temperaturę wody poniżej 25°C.

Istota wynalazku odnośnie urządzenia polega na tym, że urządzenie ma reaktor UV do redukcji i połączony z nim reaktor do redukcji chemicznej, przy czym reaktor UV do redukcji ma lampę UV, urządzenie prowadzące do wytwarzania cienkiej warstewki wody poddawanej napromienianiu, co najmniej częściowo otaczające lampę UV i przepuszczalne dla promieniowania UV lub je odbijające, oraz pompę tłoczącą poddawaną obróbce wodę przez urządzenie prowadzące, oraz korzystnie lustro otaczające urządzenie prowadzące, przy czym reaktor UV do redukcji jest połączony za pośrednictwem zbiornika zapasowego, poprzez zawór z co najmniej jednym zbiornikiem reakcyjnym reaktora do redukcji chemicznej, połączonym z pompą dozującądo podawania środka redukującego ze zbiornika i/lub pompądozującądo podawania ługu ze zbiornika, oraz ma programowaną jednostkę sterującą zaworem w funkcji czasu i pH wody cyrkulującej w reaktorze UV.

Korzystnie, urządzenie prowadzące obejmuje dwie usytuowane współosiowo cylindryczne rury prowadzące przepuszczalne dla promieniowania UV.

Rury prowadzące korzystnie są usytuowane współosiowo z lampą UV.

Lampa UV ma kształt pręta usytuowanego osiowo w rurze prowadzącej.

Korzystnie, na zewnętrznej stronie rury prowadzącej znajduje się warstwa lustrzana.

Urządzenie prowadzące korzystnie ma pierścień dysz rozpylających usytuowany współosiowo z lampą UV.

Urządzenie prowadzące w kolejnym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku ma współosiowy względem lampy UV pierścień dysz tworzących krople cylindrycznej kurtyny wodnej, współosiowej względem lampy UV.

Korzystnie, urządzenie prowadzące obejmuje misę rozdzielczą współosiową względem lampy UV.

182 056

Urządzenie prowadzące ma cylindryczną rurę prowadzącą i lekki korpus oraz jest ono współosiowe z osią lampy UV i przepuszczające lub odbijające promieniowanie UV.

Korzystnie, ten lekki korpus stanowi siatka z tworzywa sztucznego.

Korzystnie, urządzenie prowadzące ma cylindryczną rurę prowadzącą i wypełnienie przepuszczalne dla promieniowania UV, utrzymywane między współosiowymi rurami prowadzącymi.

Korzystnie, warstwa odbijająca promieniowanie UV urządzenia prowadzącego jest przepuszczalna dla światła widzialnego i/lub promieniowania cieplnego.

W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku reaktor do redukcji chemicznej obejmuje zespół pomp, połączony poprzez zespół zaworów z przewodem odprowadzającym świeżą wodę i/lub poprzez zbiornik zapasowy z reaktorem UV do redukcji.

Korzystnie, urządzenie według wynalazku obejmuje programowaną jednostkę sterującą zespołem zaworów w funkcji czasu i pH wody w reaktorze.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania w odniesieniu do rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie urządzenie do zmniejszania zawartości azotanów w wodzie pitnej, a fig. 2-5 - kolejne przykłady wykonania reaktorów UV do redukcji dla urządzenia przedstawionego na fig. 1.

Na fig. 1 przedstawiono schematycznie urządzenie do zmniejszania zawartości azotanów w wodzie pitnej, z uwidocznionym w jej górnej, lewej części reaktorem UV 10 do redukcji, a w jej dolnej, prawej części reaktorem 12 do redukcji, działającym z użyciem chemicznego środka redukującego.

Reaktor UV 10 do redukcji ma lampę UV w kształcie pręta, zasilaną przez odpowiednie urządzenie sieciowe 16.

Lampa UV 14 wytwarza promieniowanie UV o długości fal absorbowanych przez jony azotanowe znajdujące się w środowisku wodnym. Z różnych pasm absorpcji UV przez jony azotanowe korzystnie wybiera się takie, w przypadku których absorpcja UV jest duża w porównaniu z absorpcją przez wodę.

W próbach laboratoryjnych użyto jako lampy wysokociśnieniowego promiennika rtęciowego o mocy 125 W. Wytwarza on przy poborze mocy elektrycznej 125 W strumień kwantowy 8,9 W w UV C (248-280 nm), strumień kwantowy 8,7 W w UV B i strumień kwantowy 7,8 W wUV A.

Lampa UV 14 jest otoczona urządzeniem prowadzącym lOa służącym do kształtowania właściwego kształtu warstewki wody poddawanej naświetlaniu promieniowaniem UV. W jednym z wariantów wykonania urządzenia zgodnego z wynalazkiem urządzenie prowadzące składa się z kwarcowej rury prowadzącej 18 otoczonej drugą kwarcową rurą prowadzącą 20. Na stronie zewnętrznej rury prowadzącej 20 znajduje się warstwa lustrzana, korzystnie lustro 22, korzystnie w postaci metalowego cylindra, którego strona wewnętrzna stanowi powierzchnię lustrzaną.

Obydwie kwarcowe rury prowadzące 18 i 20 są zamknięte głowicami 24,26, tworzącymi pierścieniową przestrzeń rozdzielającą 28, która łączy się z jednym z obydwu końców przestrzeni pierścieniowej o małym promieniu, ograniczonej przez dwa cylindry kwarcowe. W tej przestrzeni pierścieniowej znajduje się ponadto cylindryczny lekki korpus 30, stanowiący siatkę z tworzywa sztucznego, będącą również jednym z elementów urządzenia prowadzącego. Siatka ta jest tak pofalowana, że jej powierzchnie zewnętrzne znajdują się w pobliżu leżących naprzeciw siebie powierzchni obydwu kwarcowych rur prowadzących 18, 20.

Głowice 24 i 26 ograniczają środkowy otwór przelotowy 32, dzięki czemu wentylator 34 może nadmuchiwać chłodne powietrze przez wnętrze kwarcowej rury prowadzącej 18 i na lampę UV 14.

Góma głowica 24 jest połączona poprzez zawór magnetyczny 2/2 36 z wylotem pompy 38, która zasysa wodę ze zbiornika zapasowego 40. Wnętrze dolnej głowicy 26 jest połączone przewodem 42 również ze zbiornikiem zapasowym 40.

182 056

W zbiorniku zapasowym 40 znajduje się uzdatniana woda, zawierająca azotany. Gdy działa pompa 38 i zawór magnetyczny 36 jest otwarty, wtedy pompa 38 podaje wodę ze zbiornika zapasowego 40 przez przestrzeń pierścieniową pomiędzy dwoma kwarcowymi rurami prowadzącymi 18 i 20, przy czym żyłki siatki lekkiego korpusu 30 stanowią przeszkodę tworzącą wiry, wskutek czego woda ulega intensywnej wymianie przechodząc w kierunku promieniowym przez przestrzeń pierścieniową pomiędzy cylindrami kwarcowymi.

Kwanty promieniowania UV oddawane przez lampę UV 14 są absorbowane przez jony azotanowe znajdujące się w wodzie. Zachodzi przy tym następująca reakcja pierwotna:

NO₃'->NO₃ + e(aq) (I)

Po tej reakcji wywołanej fotochemicznie dochodzi do powstawania azotynu, tlenu i tlenu w stanie singletowym oraz, ewentualnie wskutek reakcji ubocznych, do powstawania niewielu jonów H⁺.

Sumarycznie przemiana azotanu w azotyn odpowiada równaniu reakcji:

2NO₃‘ o 2NO₂‘ + O₂ (II)

Z powyższego równania (II) widać, że równowaga reakcji wraz ze wzrastającym stężeniem azotynu i stężeniem tlenu przesuwa się w kierunku azotanu.

Wtórne tworzenie się azotanu uzyskuje się także drogądysproporcjonowania według równania:

3HNO₂ -4· 2NO + HNO₃ + H₂O (III) przy czym ustalono, że wywołane fotochemicznie tworzenie się azotynu ustaje przy pH około 6.

Z powyższego opisu widać, że redukcja fotochemiczna azotanu do azotynu w sumie jest uprzywilejowana, gdy powstający azotyn usuwa się z wody i utrzymuje się pH powyżej 6, a korzystnie pH 9-11.

Do nastawiania wyżej wymienionych korzystnych warunków, dla pierwszego, fotochemicznego etapu redukcji azotanów do azotu i dla chemicznej końcowej redukcji azotynów służy reaktor do redukcji chemicznej, pokazany w dolnej, prawej części fig. 1.

Poprzez zawór 44 magnetyczny 3/3 można, zależnie od potrzeby, za pośrednictwem zbiornika zapasowego 40 ciecz płynącą przewodem 42 skierować do jednego z dwóch zbiorników reakcyjnych 46,48. Roztwór kwasu amidosulfonowego (pH 3) z zapasowego zbiornika 54, poprzez inny zawór magnetyczny 3/3 50, można za pomocą pompy dozującej 52 dozować do wybranego jednego ze zbiorników reakcyjnych 46,48, gdzie azotyny ulegają redukcji według następującego równania:

NO₂- (aq) + NH₂SO₃- (aq) + H⁺ (aq) -> N2 (g) + H⁺ (aq) + SO4“ (aq) + H₂O (1) (IV)

Następnie poprzez inny zawór magnetyczny 3/3 56 można za pomocą innej pompy dozującej 58 przesyłać ług NaOH z zapasowego zbiornika 60 do wybranego jednego ze zbiorników reakcyjnych 46 i 48, aby ponownie nastawić wartość pH 9-11.

Jako proste czujniki nadzorujące każdorazową wielkość rzeczy wistą objętości cieczy znajdujących się w zbiornikach 40, 46 i 48 stosuje się czujniki pH 62, 64 i 66. Sygnały wyjściowe z tych czujników dochodzą do trzech wejść jednostki sterującej 68.

Zbiorniki 40,46 i 48 mają w opisywanym tu przykładzie wykonania taką samą wielkość, przy czym dla przejrzystości i lepszego objaśnienia przyjęto, że między tymi zbiornikami są wymieniane całe objętości cieczy. W praktyce można też stosować zbiorniki o różnej wielkości, a wymiana ilości cieczy może być ograniczona do takich ilości, jakie są niezbędne dla ponownego stworzenia wystarczających warunków dla pierwszego etapu sposobu, indukowanej promieniowaniem UV redukcji azotanów do azotynów, względnie dla końcowej redukcji azotynów.

Poddawaną oczyszczaniu wodę, zawierającą azotyny wprowadza się do zbiornika zapasowego 40 przewodem 70, prowadzącym z typowego urządzenia do wstępnego oczyszczania mechanicznego/chemicznego.

Zbiornik reakcyjny 46 jest połączony z pompą 72, która może wodę, znajdującą się w tym zbiorniku tłoczyć poprzez zawór 74 magnetyczny 3/3 albo z powrotem do zbiornika zapaso

182 056 wego 40 albo do przewodu 76 odprowadzającego czystą wodę. Podobnie wodę, znajdującą się w zbiorniku zapasowym 48 można podawać pompą 78 poprzez zawór 80 magnetyczny 3/3 albo do zbiornika zapasowego 40 albo do przewodu odprowadzającego 76.

Urządzenia mieszające 82 przyporządkowane zbiornikom 40, 46 i 48 zapewniają wymieszanie ilości wody, znajdujących się w tych zbiornikach.

Opisane powyżej urządzenie do uzdatniania wody działa ogólnie w sposób następujący:

Wodę doprowadzaną przewodem 70 przetłacza się pompą 38, przy zaworze magnetycznym 36 otwartym za pomocą jednostki sterującej 68, przez obszar pierścieniowy znajdujący się pomiędzy kwarcowymi rurami prowadzącymi, gdzie lekki korpus 30 w postaci siatki powoduje przepływ burzliwy wody, wskutek czego wciąż nowe objętości cząstkowe wchodzą w kontakt z zewnętrzną stroną kwarcowej rury prowadzącej 18. Promieniowanie UV wysyłane przez lampę UV 14 redukuje azotany do azotynów według powyższego równania (I).

Jeśli zawartość azotynów w cyrkulującej wodzie tak znacznie wzrośnie, że reakcja odwrotna do azotanów zachodzi w zauważalnym stopniu, co można ustalić za pomoc czujnika pH 62, wtedy jednostka sterująca 68 zamyka zawór magnetyczny 36 i otwiera zawór 44 magnetyczny do tego z pracujących na przemian zbiorników reakcyjnych 46, 48, który jest właśnie pusty. Następnie, przez ustawienie zaworu magnetycznego 50 w jednej z dwu pozycj i roboczych, wprowadza się kwaśny roztwór kwasu amidosulfonowego (pH 3) do wybranego zbiornika reakcyjnego, czyli jednego ze zbiorników reakcyjnych 46,48, do momentu, gdy zawartość azotynów jest na tyle zmniejszona, że można powtórzyć etap sposobu polegający na fotoindukowanej redukcji azotanów, albo do momentu, gdy zawartość azotynów jest niższa od zawartości azotanów dopuszczalnej przez normę, tak więc po odprowadzeniu wody z odpowiedniego zbiornika reakcyjnego, nawet po późniejszym utlenieniu resztkowych azotynów nie uzyska się w odprowadzanej wodzie niedopuszczalnie wysokiej zawartości azotanów.

W zmodyfikowanym przy kładzie wy konania przedstawionym na fig. 1 można też zastosować zawór 44 magnetyczny o trzecim położeniu roboczym i zasilać przewód odprowadzający 76 za pomocą pompy 38, gdy stężenie azotanów w zbiorniku zapasowym 40 spadnie poniżej zadanej wartości granicznej.

Z powyższego opisu widać, że woda oczyszczona sposobem według wynalazku ma resztkową zawartość azotanów poniżej obowiązujących norm i zawiera pozostałe dopuszczalne składniki obecne już w wodzie doprowadzanej przewodem 70, a ponadto zawiera tylko jony sodowe i jony siarczanowe. Jony te nie są szkodliwe dla zdrowia.

W przypadku zmodyfikowanych reaktorów UV do redukcji przedstawionych na fig. 2-5, części reaktorów, odpowiadające funkcjom objaśnionym w odniesieniu do fig. 1, są oznaczone tymi samymi oznaczeniami. Części te nie będą dalej szczegółowo opisywane.

W zmodyfikowanych reaktorach UV występują również zmodyfikowane urządzenia prowadzące lOa, zawierające elementy nie występujące w pierwszym przykładzie wykonania wynalazku np. siatkę, dysze rozpylające, wypełnienie i inne.

W przypadku reaktora UV do redukcji przedstawionego na fig. 2 lampa UV 14 jest zamknięta cieczoszczelnie płytą czołową 84 w kwarcowej rurze prowadzącej 18, w której poprzez przewody 86, 88 cyrkuluje strumień powietrza.

Współosiowo z kwarcową rurą prowadzącą 18 jest umieszczony pierścień 90 dysz rozpylających, którego wewnętrzna przestrzeń jest połączona przewodem 92 z wylotem pompy 38. Pierścień 90 dysz rozpylających wytwarza krople wody o małej średnicy, w praktyce np. 0,5 do 1 mm. Poruszają się one pod wpływem siły ciężkości do dołu w przestrzeni pierścieniowej, ograniczonej przez kwarcową rurę prowadzącą 18 i cylinder metalowy, przy czym na te krople działa promieniowanie lampy UV 14. Przestrzeń wewnętrzna reaktora UV 10 do redukcji jest zasilana poprzez inny przewód 94 azotem o ciśnieniu nieco powyżej ciśnienia atmosferycznego, aby odpędzić tlen atmosferyczny od cylindrycznej kurtyny z kropel.

W przypadku przykładu wykonania przedstawionego na fig. 3 na zewnętrznej stronie kwarcowej rury prowadzącej 18 tworzy się cienka spływająca warstewka wody wskutek tego,

182 056 że woda doprowadzana przewodem 92 dopływa do misy rozdzielczej 96, a następnie przez jej brzeg przepływa równo rozdzielona w kierunku obwodowym.

W przypadku przykładu wykonania przedstawionego na fig. 4 w przestrzeni pierścieniowej między kwarcową rurą prowadzącą 18 i metalowym cylindrem jest umieszczony cylindryczny lekki korpus 98 w postaci siatki z tworzywa sztucznego, służący jako przepuszczalna dla promieniowania powierzchnia zraszana przez warstewkę wody wytwarzaną przez pierścień dysz współdziałających z tą siatką. Pierścień 100 dysz podaje tak duże krople wody, że łączą się one z sobą na siatce i w ten sposób tworzą zamkniętą opadającą warstewkę wody.

W przypadku przykładu wykonania przedstawionego na fig. 5 uzyskuje się spływającą warstewkę wody o dużej powierzchni w ten sposób, że duże krople wody podawane przez pierścień 100 dysz przepuszcza się przez wypełnienie 102 składające się z kulek kwarcowych. Wypełnienie 102 jest z dołu wspierane przez tarczę 104 z otworami.

Sposób ten wykazuje znaczne zalety w porównaniu z innymi sposobami. Należałoby tu np. wymienić co następuje:

- azotany nie ulegają zatężeniu, jak w przypadku odwróconej osmozy lub przy użyciu wymieniaczy jonowych, lecz azotany ulegają zniszczeniu. Wykazano obniżenie zawartości azotanów z 145 mg/1 do 19 ml/1.

- korzystne koszty operacyjne przy około 151/s w porównaniu z innymi sposobami chemiczno-fizycznymi.

- mała przestrzeń zajęta przez urządzenie, uwarunkowana modulamościąi korzystną kinetyką oraz związane z tym niskie koszty inwestycji.

- ciągły przepływ bez opóźnienia oraz także związane z tym niskie koszty inwestycji.

Dalsze szczegóły praktycznego przykładu wykonania laboratoryjnego modelu urządzenia według wynalazku dla usuwania azotanów z wody pitnej wynikają z poniższego opisu doświadczenia.

Widma absorpcyjne azotanów i azotynów odpowiadają długości fal 200-240 nm. Dlatego wodę pitnąnapromienia się lampąUV emitującąpromieniowanie o długości fal w tym zakresie.

Po jednej stronie grubość cienkiej warstewki wody napromienianej promieniowaniem UV musi być na tyle duża, że największa część kwantów wysyłanych przez lampę UV pozostaje w wodzie wskutek absorpcji przez azotany. Po drugiej stronie grubość warstewki nie może być zbyt duża, ponieważ największa część kwantów jest absorbowana na powierzchni wody.

Przykład: 90% absorpcja daje ekstynkcję E = 1.

Według prawa Lamberta-Beera grubość warstewki określa

e.c wzór: gdzie E = 1 c = 10'³ mola/1 (stężenie początkowe) ε = 10⁵ 1/mol (molekularna stała absorpcji dla długości fal 200-240 nm). co daje: d = 1 mm, przy czym — = ]0’^{ŁC d} lo (prawo Lamberta-Beera)

I = natężenie.

Korzystna grubość warstewki powinna wynosić około 1 mm.

Dla dokładnego określenia warunków doświadczenia należy obliczyć prawdopodobieństwo wzbudzenia według następującego wzoru:

W = 1-10 ^{ε φ} VA φ = przepływ molowy kwantów [mol/s] t = czas naświetlania w s ε = stała materiałowa [dm²/mol]

A = powierzchnia w dm², a

182 056

I_L· λ φ = —---h. c. N_l gdzie:

h =6,625 10 ³⁴ J s c = 2,9979 10¹⁷ nm/s

N_l = 1 mol = 6 · 10²³ cząstek λ = długość fali w nm I_L = moc lampy w zależności od długości fali.

W ten sposób można bezproblemowo obliczyć dla lampy prawdopodobieństwo wzbudzenia w przypadku długości fal w głównym zakresie absorpcji przez azotany. Można osiągnąć prawdopodobieństwo wzbudzenia 80-90% dla długości fal 200-225 nm.

Przy budowie aparatury należy zwrócić uwagę na szereg wymagań:

Cienka warstewka wody wokół lampy, a mimo to duża prędkość objętościowa.

Między warstewką wody i lampą może być jedynie powietrze.

Zastosowanie długości fal 200-240 nm (nanometry) (wysoka wartość W we wzorze przy użyciu bardzo ekonomicznie opłacalnej i równocześnie bezpiecznej lampy UV HOK 4/120/SE firmy Philips). Przy długości fal 200-240 nm tworzy się ozon, któiy trzeba odprowadzić i zaabsorbować. Wprowadzanie gazowego N₂ (azotu) powinno zapewnić atmosferę prawie pozbawioną tlenu.

Wraz z cyrkulacją zwiększa się czas naświetlania produktu podlegającego przemianie pod wpływem strumienia kwantów i czasu naświetlania, aby wyrównać względnie mały strumień kwantów przypadający na powierzchnię lampy modelowej.

Dokładne pomiary wykonano przy użyciu chromatografu jonowego. Chromatograf jonowy ma anionową kolumnę rozdzielczą Dionex AS4A i działa przy zastosowaniu fazy ruchomej Na₂CO₃/NaHCO₃. Standardowe odchylenie dla pięciu pomiarów w odniesieniu do wzorca wynosi < 1 %. Współczynnik korelacji prostej kalibracyjnej wynosi γ = 0,999. Ponadto wykorzystuje się tu możliwość uchwycenia zmian kationów, a zwłaszcza Na⁺ przy użyciu spektrografu absorpcji atomowej (AAS). Inną wielkością pomiarową była wartość pH. Przyrząd skalibrowano przed pomiarami z dokładnością* 0,1. Ponadto zmierzono fotometrycznie stężenie ozonu w wodzie poddawanej obróbce.

Z doświadczeń wynika co następuje:

Rozkład azotanów przy pH 10 i długości fal <248 nm, w przeciwieństwie do długości fal > 248 nm, nie jest ograniczony do 25%.

Przy wyższym stężeniu początkowym zmniejsza się zawartość azotanów najpierw lawinowo, a następnie od 30 mg/l tak, jakby stężenie początkowe wynosiło tylko 30 mg/1.

Przy stężeniu początkowym 145 mg/1 można uzyskać 87% przemianę.

Urządzenie modelowe: Przy czasie działania 5 min (50 przebiegów):

₁₂₆^_=25j2J3L min i 1 min

Urządzenie zoptymalizowane: Przy czasie działania 6 s (1 przebieg):

₁₂₆^Ł_=2I58

1·6s 1 · s

Ponieważ wydajność kwantowa wynosi poniżej 1, można przyjąć w urządzeniu modelowym po 5 min prawdopodobieństwo wzbudzenia 80-90%.

Sposób według wynalazku można wykorzystać do zmniejszenia zawartości azotanów w wodzie pitnej nową drogą i przy oszczędności czasu. Szybki rozkład azotanów jest możliwy zwłaszcza w wysokim zakresie wartości stężenia (pH 10).

182 056

Jeśli reaktor UV byłby nieco wydłużony i wyposażony w lampę UVH 10220 firmy UV-Technik, można by przy mocy wyjściowej 1 kW wytworzyć około 40-krotnie większy strumień kwantów. Wtedy można by zmniejszyć czas naświetlania do pojedynczego przebiegu. Przy I_L = 8 W, powierzchni napromieniania A = 3 dm² i czasie naświetlania dla przebiegu przy 30 1/min, t = 0,24 s, a prawdopodobieństwo wzbudzenia osiągnie 80-90%.

Należy jednak wziąć pod uwagę, że silny promiennik, o mocy rzędu kilowatów, będzie także powodował zwiększenie ilości ozonu. Jednak dzięki wprowadzaniu gazowego N₂ można nie dopuścić ozonu do kontaktu z warstewką wody.

Sposób według wynalazku można wykorzystać do zmniejszenia zawartości azotanów w wodzie pitnej na nowej drodze, korzystnej ze względu na sterowanie oraz zużycie energii i chemikalii. Dotyczy to zwłaszcza porównania ze znanym sposobem elektrolizy, który pod względem modulamości i wielkości przestrzeni stanowi jedyną alternatywę niniejszego sposobu.

Przy prawdopodobieństwie wzbudzenia 80-90%, długości fal 200-240 nm, pH 10 i prędkości przepływu około 0,5 m/s oraz przy określonej siatce można osiągnąć 80-90% rozkład przy początkowym stężeniu 145 mg/1. Istotna dla tego wyniku i sprawności jest kombinacja długości fal (określony rozkład widmowy), wartość pH, prawdopodobieństwo wzbudzenia i prędkość przepływu.

W przypadku aparatury w dużej skali proponuje się zastosowanie jako urządzenia do prowadzenia wody ukośnej płaszczyzny, nad którąjest umieszczony promiennik UV z reflektorami.

Alternatywą jest wytworzenie warstewki wody, jak w opisanej aparaturze modelowej, przez umieszczone blisko jedna przy drugiej dysze na pierścieniu, tak że powstaje cylindryczna kurtyna z kropel. Wskutek tego mogąbyć utrzymywane stosunkowo małe wahania. Aby parowanie dyfuzyjne nie było zbyt duże, spadek temperatury powinien pozostać mały. Zmętnienia mało przeszkadzają: Wyniki doświadczeń uzyskano mimo słabego zmętnienia przy pH 10. Jak już wspomniano, na powierzchni przebiega reakcja fotochemiczna. Małe zmiany burzliwości i zmiany grubości warstewki nie wywierają wpływu. Pomimo podwojenia prędkości cyrkulacji z 7,51/min do 151/min przemiana przebiegała tak samo. Ponieważ stężenie ozonu w wodzie wynosi < 0,05 mg/1, można wykluczyć tworzenie się toksycznych substancji wskutek rozkładu chlorowcowanych związków organicznych.

Przykład

W zbiornikach zapasowych umieszczono wodne roztwory wodorotlenku sodowego i kwasu amidosulfonowego (pH 3). Prędkość objętościową przepływu cieczy przez reaktor UV ustawiono na 7,5 1/min.

W zbiorniku umieszczono ścieki (uzdatnianą wodę) o początkowej zawartości azotanów 145 mg/1. Po uruchomieniu urządzenia uzdatniana woda przepływała kolejno przez reaktor UV i zbiornik reakcyjny. Do zbiornika reakcyjnego dozowany jest roztwór kwasu amidosulfonowego w ilości wynikającej ze stężenia jonów azotynowych oraz ług sodowy w ilości takiej, aby przez reaktor UV przepływał roztwór o pH 10. Przy ustalonym przepływie obj ętościowym uzdatnianej wody na poziomie 7,5 1/min prędkość liniowa przepływu w reaktorze UV wynosiła 0,5 m/s przy grubości warstewki wody wynoszącej około 1 mm. W wyniku procesów naświatlania, korekcji pH roztworu i reakcji z kwasem amidosulfonowym następuje obniżenie stężenia azotanów w uzdatnianej wodzie.

W kolejno powtarzanych doświadczeniach uzyskiwano po czasie 5 min (50 cyklach) obniżenie stężenia j onów azotanowych o 80 do 90%. Średnio dla wszystkich eksperymentów uzyskano obniżenie stężenia jonów azotanowych do wartości 19 mg/1 czyli o 87%.

182 056

182 056

Fig. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims (21)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zmniejszania zawartości azotanów w wodzie, zgodnie z którym w drugim etapie azotyny redukuje się do azotu z użyciem chemicznego środka redukującego, zwłaszcza kwasu amidosulfonowego w środowisku wodnym, znamienny tym, że w pierwszym etapie azotany w oczyszczanej wodzie redukuje się do azotynów drogą napromieniania promieniowaniem UV cienkiej warstewki wody poddawanej obróbce, przy czym długość fali promieniowania UV stosowanego w pierwszym etapie sposobu odpowiada maksymalnej absorpcji przez jony azotanowe w środowisku wodnym i zarazem minimalnej absorpcji przez wodę, długość fali promieniowania UV mieści się w zakresie od 200 do 240 nm, z tym że w pierwszym etapie sposobu utrzymuje się wartość pH w zakresie od 6 do 11, a zwłaszcza pH około 9-10.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie obróbki wodę poddaje się działaniu promieniowania UV, stosując taką prędkość przepływu wody, aby poddawana działaniu promieniowania UV warstewka wody charakteryzowała się przepływem burzliwym.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się prędkość przepływu wody wynoszącą od około 0,5 m/s do około 2,5 m/s.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przez cały czas trwania pierwszego etapu sposobu utrzymuje się wartość pH wody powyżej 6, korzystnie dodając NaOH.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie sposobu wodę wielokrotnie przeprowadza się przez obszar poddawany działaniu promieniowania UV.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadzi się go metodą przepływową.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utrzymuje się temperaturę wody poniżej 25°C.
8. 8. Urządzenie do zmniejszania zawartości azotanów w wodzie, znamienne tym, że ma reaktor UV (10) do redukcji i połączony z nim reaktor (12) do redukcji chemicznej, przy czym reaktor UV (10) do redukcji ma lampę UV (14), urządzenie prowadzące (lOa) do wytwarzania cienkiej warstewki wody poddawanej napromienianiu, co najmniej częściowo otaczające lampę UV (14) i przepuszczalne dla promieniowania UV lub je odbijające, oraz pompę (38) tłoczącą poddawaną obróbce wodę przez urządzenie prowadzące, oraz korzystnie lustro (22) otaczające urządzenie prowadzące, przy czym reaktor UV (10) do redukcji jest połączony za pośrednictwem zbiornika zapasowego (40), poprzez zawór (44) z co najmniej jednym zbiornikiem reakcyjnym (46,48) reaktora (12) do redukcji chemicznej, połączonym z pompa dozującą (52) do podawania środka redukującego ze zbiornika (54) i/lub pompą dozującą (58) do podawania ługu ze zbiornika (60), oraz ma programowaną jednostkę sterującą (68) zaworem (44) w funkcji czasu i pH wody cyrkulującej w reaktorze UV (10).
9. 9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że urządzenie prowadzące (lOa) obejmuje dwie usytuowane współosiowo cylindryczne rury prowadzące (18, 20) przepuszczalne dla promieniowania UV.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że rury prowadzące (18,20) sąusytuowane współosiowo z lampą UV (14).
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że lampa UV (14) ma kształt pręta usytuowanego osiowo w rurze prowadzącej (18,20).
12. 12. Urządzenie według zastrz. 9 albo 10, znamienne tym, że na zewnętrznej stronie rury prowadzącej (20) znajduje się warstwa lustrzana.
13. 13. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że urządzenie prowadzące (lOa) ma pierścień (90) dysz rozpylających usytuowany współosiowo z lampą UV (14).

    182 056
14. 14. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że urządzenie prowadzące (lOa) ma współosiowy względem lampy UV (14) pierścień (100) dysz tworzących krople cylindrycznej kurtyny wodnej, współosiowej względem lampy UV (14).
15. 15. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że urządzenie prowadzące (lOa) obejmuje misę rozdzielczą (96) współosiową względem lampy UV (14).
16. 16. Urządzenie według zastrz. 8 albo 14, albo 15, znamienne tym, że urządzenie prowadzące (lOa) obejmuje cylindryczną rurę prowadzącą (18) i lekki korpus (30, 98) oraz jest współosiowe z osią lampy UV (14) i przepuszczające lub odbijające promieniowanie UV.
17. 17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że lekki korpus (30,98) stanowi siatka z tworzywa sztucznego.
18. 18. Urządzenie według zastrz. 8 albo 14, albo 15, znamienne tym, że urządzenie prowadzące (lOa) ma cylindryczną rurę prowadzącą (18) i wypełnienie (102) przepuszczalne dla promieniowania UV, utrzymywane między współosiowymi rurami prowadzącymi (18,20).
19. 19. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że warstwa odbijająca promieniowanie UV urządzenia prowadzącego (lOa) jest przepuszczalna dla światła widzialnego i/lub promieniowania cieplnego.
20. 20. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że reaktor (12) do redukcji chemicznej obejmuje zespół pomp (72, 78), połączony poprzez zespół zaworów (74, 80) z przewodem odprowadzającym (76) świeżą wodę i/lub poprzez zbiornik zapasowy (40) z reaktorem UV (10) do redukcji.
21. 21. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że obejmuje programowaną] ednostkę sterującą (68) zespołem zaworów (74, 80) w funkcji czasu i pH wody w reaktorze (12).

    * * *