Плазмохімічне очищення стічних вод

З точки зору сьогодення перспективними та інноваційними є розробки з використанням наукових та практичних досягнень хімії високих енергій, а саме плазмохімічних процесів. Їх особливістю є компактність технологічного обладнання та висока продуктивність у поєднанні з високою якістю кінцевих продуктів.

Плазма - це частково або повністю іонізований стан речовини, при якому система містить вільні позитивні (іони) і негативні (електрони, рідше іони) заряджені частки, концентрації яких у середньому однакові. Присутність заряджених і збуджених часток у плазмі, реакції з ними є однією з головних особливостей механізмів і кінетики плазмохімічних реакцій.

Розрізняють - повністю іонізовану плазму і частково іонізовану плазму, рівноважну і нерівноважну, високотемпературну і низькотемпературну, гарячу і холодну. У плазмі, що складається з різноманітних часток з різною швидкістю теплового руху, розрізняють температури електронів, іонів і нейтральних часток, атомів, молекул і кластерів. Оскільки енергія теплового руху часток значно залежить від їх маси, то у плазмі найбільше відрізняються електронна та іонна температури. Температура іонів і нейтральних часток відрізняється мало. Ступінь різниці температур залежить від густини цих часток, тобто від тиску у системі. У розрядженій плазмі, у якій зіткнення бувають рідко, існують довгий час стани, далекі від рівноважних. У більш щільній плазмі зіткнення призводять до вирівнювання температур, тобто плазма стає рівноважною.

Взаємодія газового розряду з розчинами може бути здійснена декількома способами:

- контактуючим з рідиною розрядом між розташованими у газовій фазі електродами;

- розрядом, у якому роль одного або обох електродів виконує розчин електроліту.

Процеси у системах першого типу подібні звичайним гетерогенним плазмохімічним процесам, коли активні частки, що генеруються у плазмі дифундують до межі розподілу фаз та ініціюють хімічні перетворення у розчині.

^r д

А - комірка для тліючого розряду (М-Е-П-М): 1 - електроди, 2 - зона плазми, 3 - електроліт, 4 - магнітна мішалка; Б - комірка для діафрагменного розряду (М-Е-П-Е-М): 1 - електроди,

2 - кварцова ампула, 3 - діафрагма (зона плазми), 4 - електроліт, 5 - магнітна мішалка;

В - комірка для ковзного розряду (М-Е-П-М): 1 - розчин, 2 - розряд, 3 - профільний електрод (анод), 4 - електроліт, 5 - магнітна мішалка; Г - комірка для діафрагменного розряду з буферними камерами (М-Е-П-Е-М): 1- електроди, 2 - зона плазми, 3 - активна зона, 4 - буферні камери, 5 - кварцові ампули з діафрагмами; 6 - подавання газу; Д - комірка для ініціації об'ємного розряду у трубці з розчином (М-Е-П-Е-П-Е-М): 1 - електроди, 2 - зона горіння розряду, 3 - циркуляція розчину електроліту,

4 - до зворотного холодильника. Рисунок 3.13 - Конфігурації розрядних комірок

Ознакою, що відрізняє плазмово-рідинну систему від класичної електрохімічної, є утворення однієї або двох міжфазових меж плазма-розчин. Плазмові утворення у цих системах можуть не мати прямого контакту ні з металевими електродами, ні з зовнішньою атмосферою. Найбільш простою та детально дослідженою плазмово-рідинною системою є тліючий розряд, у якому одним з електродів, частіше за все катодом, слугує розчин електроліту. Особливо виділяють ПРС, у яких, плазма утворюється всередині розчину, має достатньо великий об'єм, що дозволяє обробляти матеріали, комбінуючи вплив плазми та активованого плазмою розчина.

Застосування низькотемпературного плазмового розряду дозволяє підійти до проблеми очищення води комплексно. Так, при застосуванні нього методу в оброблюваних водах відбуваються процеси, що призводять до руйнування у них будь-яких органічних сполук, у тому числі поверхнево-активних речовин і галогенвмісних органічних сполук, бактеріальних забруднень. Присутні в оброблюваних водах іони важких металів і радіонукліди переводяться у нерозчинні сполуки, які потім агрегуються, адсорбуються на присутніх у воді твердих зважених частках і можуть бути згодом видалені на стадії фільтрування. Слід зазначити, що вода у процесі оброблення її плазмовим розрядом отримує яскраво виражені бактерицидні властивості, що носять пролонгований характер, і зберігаються кілька днів.

Сутність способу утворення контактної нерівноважної низькотемпературної плазми полягає у тому, що один електрод у реакторі знаходиться у рідкій фазі, а інший розташований на деякій відстані від поверхні розчина, що призводить до нових можливостей плазмового оброблення (рис. 3.14).

1 - ємність з вихідним розчином; 2 - насос; 3 - запірний вентиль; 4 - вхідний патрубок;

5 - джерело живлення; 6 - анод; 7 - вакуум-метр; 8 - вакуумний насос; 9 - газорідинний реактор з охолодженням; 10 - конус плазмового розряду; 11 - запірний вентиль;

12 - патрубок; 13 - розчин; 14 - приймальня ємність; 15 - катод Рисунок 3.14 - Схема трьохдугової плазмохімічної установки

Реакції, що відбуваються, призводять до ланцюгового механізму розкладання води та утворення пероксидних і надпероксидних сполук.

3.3.1