Новые методы дезинфекции

6. Новые  методы дезинфекции

6.1 Введение

Микробные обеззараживание воды может быть осуществлено с помощью различных химических, физических,  а также  гибридных методов, которые были подробно рассмотрены в предыдущих главах. Это действительно интересно отметить, что хотя человек экспериментировал с различными методологиями для дезинфекции воды, никогда не было универсального решения для инактивации микроорганизмов для питьевой воды. Стремление к лучшим, эффективным и экономичным методам продолжает интриговать человечество, и исследования в этой области увеличиваются с каждым днем. Во всем мире ученые стремятся придумать новые методы дезинфекции воды. Для того, чтобы пролить свет на развивающиеся и новые методы обеззараживания воды, очень важно понимать, что научная литература представляет мириады методов и каждый из них уникален. Таким образом, трудно отметить какой-либо один или несколько, в качестве новых методов дезинфекции. Кроме того, вековые методы дезинфекции, такие как фильтрация, использование металлов и т. д., используются снова такими, как и раньше или с некоторым  изменением. В этой главе делается попытка обсудить некоторые из методов, которые являются уникальными, различными  и не были описаны в главах ранее.

6.2 Технологии нового поколения обеззараживания воды

6.2.1 Технологии плазмы

Плазма -  четвертое состояние материи, состоящее из ионизированных молекул газа, нейтральных молекул, радикалов и электронов. Все виды в плазме в возбужденном состоянии; то есть, они имеют больше энергии, чем в земном состоянии. Плазменные процессы включает в себя химические и физические реакции между частицами и твердыми поверхностями в контакте с плазмой. Исключительные свойства большинства плазменных панелей, применяемые для обработки материалов, связаны с неравновесными условиями. Возможности для обработки материалов вытекают из способности плазмы обеспечивать высоко возбужденную среду, которая не имеет никаких химических или физической копий в естественной, равновесной  окружающей среде. Плазма изменяет нормальные пути, через которые химические системы развиваются из одного устойчивого состояния в другое, тем самым обеспечивая потенциал для производства материалов со свойствами, которые не достижимы с помощью любых других средств. Отрасли, в которых плазменная обработка является жизненно важной, включают  полупроводниковые, аэрокосмические, текстильные, металл и керамику,  отходы  химической промышленности, биомедицинскую промышленность, а также многое другое. Процессы, как правило, вовлекают  травление, активирование поверхности для нанесения пленок и покрывающих  поверхностей,  очистки, а также для проведения химических реакций, и так далее.

В отношении  химической промышленности, плазменная обработка широко используется в очистке отходов, реформировании и обработке топлива. Благодаря наличию высоко - энергетических видов, плазма еще может быть использована для очищения опасных химических веществ, которые в противном случае очень трудно обрабатывать. Основное преимущество обработки плазмой  является то, что она позволяет восстановление материалов или энергии из отходов в твердом, жидком или газообразном виде. Можно использовать плазменную обработку, из-за уникальных характеристик плазмы,  чтобы синтезировать промышленные химикаты из сырья, которое никогда ранее не использовались.

6.2.1.1 Основы плазмы

6.2.1.1.1 Классификация плазмы

Есть два основных типа плазмы, плазма атмосферного давление и  плазма низкого давления. Для плазмы атмосферного давления, длины свободного пробега между электронами и тяжелыми частицами слишком малы, и, следовательно, столкновение плазмы доминирует. В таких условиях, локальное термодинамическое равновесие (ЛТР) может преобладать, которое включает в себя кинетическое равновесие (Tе ≈ Th, где Те =  температура электрона  и Th = тяжелые частицы или целесообразная температура), а также химическое равновесие; то есть, концентрации частиц в плазме ЛТР только - функция температуры. В отличие от этого, в плазме низкого давления, длина свободного пути намного больше, и, следовательно, столкновение между частицами гораздо менее часто. В этих условиях, температура электронов намного выше, чем температура тяжелых частиц, то есть, Те >> Th (рис. 6,1).

Несмотря на то, что ионизация в плазме низкого давления очень высока, плотность газа в этом типе плазме крайне низка. Таким образом, тепловое равновесие не может быть достигнуто между электронами и тяжелыми частицами при столкновениях. Следовательно, тяжелые частицы газа остаются холодными даже после столкновений. Плазмы, образующиеся в различных типах тлеющих разрядов, в низкой интенсивности, в высокочастотных разрядах и в коронных разрядах являются типичными примерами холодной плазмы.

В плазме атмосферного давления, есть две категории, тепловая и нетепловая. В тепловой плазме Te ≈ Th (ЛТР существует). Температура ядра газа в термической плазме значительно выше 10000 К и газ.

значительно ионизируется. Атмосферные нетепловые плазмы имеют очень высокие электронные температуры, Те, в то время как разумные температуры, Th, остаются окружающей среды. Атмосферные нетепловые плазмы имеют низкую степень ионизации и плотность заряженных частиц низка. Электроны и ионы никогда не достигают локального термодинамического равновесия. По этой причине, газ находится при комнатной температуре.  Однако, атмосферная  нетепловая  плазма имеют высокую плотность активированных видов, то есть, активные свободные радикалы и возбужденное состояние  атома. Таким образом, нетепловая  плазма - очень  реактивна.

Тепловые плазменные реакторы предлагают широкий спектр других преимуществ, в том числе:

1. Высокая пропускная способность с компактной геометрией реактора.

2. Высокие темпы гашения (> 106 К / с), что позволяет  получать конкретный газ и твердые композиционные материалы.

3. Низкий уровень расхода газа ( за исключением не трансформирующих плазменных устройств) по сравнению со  сжигаемым  ископаемым  топливом, тем самым снижая требования очистки  отходящих газов.

Возможным недостатком, особенно с экономической точки зрения, является использование электроэнергии в качестве источника энергии. Тем не менее, полная сравнительная оценка стоимости часто демонстрирует экономическую жизнеспособность  технологий, основанных на плазме (Дорс, 2011).

6.2.1.1.2 Генерация плазмы

Плазма генерируется  прохождением электрического тока через газ. Так как  газы при температуре окружающей среды являются отличными изоляторами, должно быть сформировано достаточное количество носителей заряда, чтобы газ стал электропроводящим. Прохождение  электрического тока через ионизированный газ приводит к явлению, известному как газообразные выбросы. Такие газообразные выбросы являются наиболее распространенными, хотя и не единственными средствами для получения плазмы.

6.2.1.1.2.1  Генерация термической плазмы

Генерация термической плазмы может быть достигнута  с помощью постоянного тока (DC) или переменного электрического  тока (AC)  или с использованием радиочастотной (РЧ) индукции или микроволнового излучения (СВЧ). Разряд дуги постоянного тока  обеспечивает высокую плотность энергии и высокую температуру в области между двумя электродами, и в присутствии достаточно высокого расхода  газа, плазма выходит за пределы одного из электродов в виде плазменной струи. Генераторы плазменной дуги  можно разделить на не передающую  дуговую  горелку и передающую  дуговую  горелку. В не передающей дуговой  горелке два электрода не участвуют в обработке и имеют функцию основания генерации плазмы. В передающем дуговом реакторе, вещество, подлежащее обработке, помещают в электрически заземленную металлическую емкость, и действует в качестве анода; таким образом, реактивный материал должен быть электропроводным. Передающие  дуговые горелки  широко используются в металлургической обработке. Дуговые горелки и электроды обычно  охлаждаются водой, и средний срок службы электродов составляет от 200 до 500 часов работы в окислительных условиях. Плазменные горелки дуги постоянного тока, как правило, доступны на уровнях мощности до 1,5 МВт. Расширение масштабов возможно  до 6 МВт.

Радиочастотные  плазменные горелки  используют  индуктивную  или емкостную связь для передачи электромагнитной энергии от источника питания РЧ к рабочему газу  плазмы. Они очень компактны и доставляют чрезвычайно высокую  подводимую  энергию на единицу объема. В отличие от плазменных горелок дуги  постоянного тока, нет локально высокой температуры дуги, нет движущихся частей и никаких деталей, подверженных износу. РЧ ток и микроволновое излучение могут быть переданы через изоляторов, поэтому возможно использование внешних электродов. Таким образом, электроды не подвергаются  суровым условиям термической плазмы и, следовательно, имеют очень долгую продолжительность жизни. Генераторы РЧ плазмы, как правило, доступны на уровнях мощности 100 кВт. Шкала деятельности была продемонстрирована в диапазоне 1 МВт. Многие тепловые плазменные процессы использовали плазменные  генераторы постоянного тока благодаря стабильной дуге, но этот вид плазменного генератора требует дорогостоящее электронное оборудование и элементы управления, и плазменная струя  очень узкая. РЧ индуктивно-связанные факелы плазмы  в настоящее время все чаще рассматриваются в широком диапазоне применений в сфере  обработки материалов. Вообще говоря, высокочастотная  плазма может генерировать очень диффузный шлейф, и дизайн внешними электродами способствует введению шихтового материала непосредственно в или через область плазмы. Тем не менее, радиочастотные  плазменные системы часто используют электронику генератора, которая имеет по сути низкую эффективность.

6.2.1.2 Плазменная обработка очищения отходов

6.2.1.2.1 Термическая плазма в очищении отходов (Гомес и др., 2009)

Отходы химической промышленности включают в себя летучие органические соединения (ЛОС), золы и пыли, полимеры, газообразные выбросы или жидкие стоки, и так далее. Способы очищения зависят от типа отходов; например, три основных варианта утилизации отходов являются: (1) захоронение (2) очищение с последующим захоронением, и (3) переработка для восстановления сырья и энергии с последующей утилизацией остатка.

С сокращением  количества свободной земли, захоронение становится менее жизнеспособным вариантом. Сжигание когда-то было вариантом очищения, но оно имеет технологические ограничения, например, обработка больших объемов отходящих газов и генерация летучей золы.

Другая обработка  отходов термоплазмой имеют следующие преимущества:

1. Высокая плотность энергии и температура связаны с термической плазмой, а также, соответственно, быстрое время реакции предлагает потенциал для большой пропускной  способности небольшого реактора.

2. Чрезмерные  температурные градиенты в реакторе позволяют видам, выходящим из него закаливаться при очень высоких скоростях, позволяя достигать метастабильные состояния и неравновесные композиции, тем самым минимизируя реформирование стойких органических загрязнителей (СОЗ).

3. Плазма может быть использована для очищения широкого спектра отходов, в том числе жидкостей, твердых веществ и газов.

4. Высокие плотности теплового потока на границах реактора приводят к быстрому достижению устойчивых условий. Это позволяет быстрый запуск и сокращает время простоя, по сравнению с другими тепловыми очистками, такими как сжигание, без ущерба для огнеупорной производительности.

5. Окислители не требуются для получения источника тепла процесса, так  как топливо не сгорает; поэтому, объем потока произведенного газа значительно меньше, чем при обычных процессах горения, и так проще и дешевле в управлении.

6. Сочетание указанных характеристик позволяет плазменной обработке  быть интегрированной в процесс генерации опасных отходов.

Плазменные реакторы могут быть использованы, чтобы расплавить или, с добавлением  образователей стекла превратить в стекло отходы с образованием стабильного, невыщелачиваемого, стекловидного шлакового продукта, в который попали в ловушку опасные вещества. Остеклованный продукт предлагает потенциал для повторного использования, и другие продукты с высокой добавленной стоимостью, такие как металлолом, можно смело восстанавливать. Кроме того, плазма может термически разлагать опасные органические соединения на простые, доброкачественные материалы. Кроме того, с помощью газификации или пиролиза, органическая часть отходов может быть превращена в синтетический газ (син-газ), который может заменить ископаемые виды топлива.

Основным недостатком  плазменного процесса является использование электричества, которое является дорогим источником энергии, но использование передающих дуговых устройств означает, что сила используется эффективно, и нет паразитарных нагрузок, связанных с нагревом воздуха, с высоким содержанием азота, чтобы поддерживать горение, и таким образом, можно считать это жизнеспособным долгосрочным решением для управления отходами.

6.2.1.2.1.1 Общие положения

Высокая температура процесса означает, что летучие металлы испаряются  и проводятся блоком, вместе с галогенами и другими кислыми газами, в потоке отходящего газа, который может быть удален  использованием основного шлака с  высокой  ионной производительностью галогена. Материал изготовления системного блока воздушного управления должен быть разработан, чтобы отделить, собрать или химически рассмотреть материалы, захваченные в отходящем газе. Для очистки отходов, полые графитовые электроды обычно используются для производства плазменной дуги. Электроды и прокладка очистки судна или камеры медленно утихают или потребляются в процессе переработки отходов, расход будучи, как правило, <5 кг / МВтч, и, следовательно, на порядок ниже, чем при обычной печной дуге. Плазменные очищающие блоки состоят из нескольких подсистем, кроме теплового источника плазмы. Эти компоненты - система подачи отходов, перерабатывающая камера, удаление твердых остатков и система обработки,  система газового хозяйства, элементы управления и сбора данных и мониторинга.

Рисунок 6.2 показывает схему  плазменной обработки отходов.

6.2.1.2.1.2 Очистка летучей золой(Moхай и Сжепволгий, 2005; Гомес и др., 2009)

Летучая зола состоит из тонко измельченных частиц, которые  удаляются перед любой дальнейшей обработкой газообразных отходов. Металлургическая промышленность генерирует значительное количество порошка летучей золы. Промышленная химия также генерирует большое количество отходов посредством таких процессов, как эрозия каталитического слоя, установки для сжигания отходов, дробления и измельчения операций и так далее. Контроль загрязнения воздуха - твердые вещества, полученные от очистки газовых отходов, такие как промывка влажной кислоты, циклонных сепараторов и так далее. Они содержат высоко - токсичные тяжелые металлы, такие как свинец, кадмий и ртуть, а также представляют  экологическую угрозу, так как они действуют как катализаторы для формирования загрязняющих веществ в воздухе. Здесь, восстановление металлов из  летучей золы генерируется в сталеплавильном производстве с использованием радиочастотной  термической плазмы,  рассматривается в качестве иллюстрации.

6.2.1.2.1.3 Очищение  сажевых отходов металлургического производства  термической плазмой

РЧ плазменные системы могут перерабатывать мелкие порошки без грануляции в непрерывной операции. Эта возможность, вместе с выгодными особенностями тепловой плазмы, упомянутой выше, предлагает большую перспективу для синтеза специальных керамических порошков, таких как ферритов-шпинелей. Состав конвертерной дымовой пыли (КДП) и шлама из горячего обшивки изделия из стали (ГОС) приведены в таблице 6.1. Образцы отходов, которые были обработаны в восстановительной атмосфере, соответственно, для получения тонких металлических порошков и в нейтральной / окислительной атмосфере для синтеза нанопорошков  феррита  цинка. Таблица 6.1 показывает объемный химический состав образцов КДП и ГОС.

Рисунок 6.2

Типы электрических разрядов для очистки воды. Контакт  с тлеющим разрядом электролиза: ( а) анод, (б) катод, (с) охлаждающая вода, (д) стеклянная трубка, (е) раствор электролита, (е) магнитный стержень и (г) отверстие выборки (Джин и др., 2012). Импульсный коронный разряд (Дорс, 2011). Диэлектрический барьерный разряд (Koгельшатц, 2000). ( Цзинь, X. и др., 2012; Дорс, М., Плазма для очистки воды, 2011, http://www. plastep. eu/fileadmin/dateien/ Koгельшатц, Основы и применение диэлектрических барьерных разрядов, 2000, HTTP: // www. /wxzl/plasma-16.pdf, доступ 10 мая 2012).

Результаты эксперимента показали, что металлургические порошковые отходы, содержащие железо, оксиды цинка и гидроксиды могут быть сокращены до  металлов РЧ тепловой плазмы в присутствии водорода. Тем не менее, если частицы агломерированы, они не могут быть уменьшены за короткое время пребывания в горячей плазменной области. Таким образом, для достижения высокого снижения, не агломерированные порошки, со средним размером частиц менее 20 мкм должны быть введены в плазменный реактор. Шпинели  ферритов переменного состава были сформированы с полным превращением в течение очень короткого времени пребывания, по сравнению  с обычным процессом, который требует термической обработки от 4 до 6 ч при температуре выше 1000 ° С.

Таблица 6.1

Основная масса химических составляющих образцов КДП и ГОС

Образец	Fe	Zn	Pb	Ca	Mg	Si	Cl
КДП	65	4.22	0.98	1.96	0.15	1.02	0
ГОС	17.5	39.5	0.23	2.76	0.29	2.22	6.99

6.2.1.2.1.4 Тепловой плазменный пиролиз органических отходов (Хуанг  и Танг, 2006)

6.2.1.2.1.4.1 Принципы термического плазменного пиролиза

Термический плазменный пиролиз может быть описан как процесс реакции углеродного твердого вещества с ограниченным количеством кислорода при высокой температуре для получения газа и твердого продукта. В зоне высокой реактивной плазмы, существует большая часть электронов, ионов и возбужденных молекул вместе с высокой энергией излучения. Когда  углеродистые частицы вводятся в плазму, они очень быстро нагреваются с помощью плазмы,  летучее вещество расщепляется  и продукты расщепления  высвобождаются, что приводит к увеличению водорода и легких углеводородов, таких как метан и ацетилен. Примерно четыре этапа может разделяться  в процессе  пиролиза термической плазмы:

1. Очень быстрое нагревание частиц в результате их теплообмена с плазменной струей.

2. Взрывное выделение летучих веществ из частиц.

3. Очень быстрая газификация гомогенной фазы и быстрый нагрев и массообмен.

4. Дальнейшая  газификации  частиц древесного угля  с различными газообразными компонентами.

Стадия 3 может быть заменена закалочной технологией для того, чтобы достичь определенного технического назначения, такого как восстановление мономера. Добавление воды / пара может быть эффективно использовано в стадии 4 для того, чтобы содействовать производству синтез-газа (Н2 и СО). Высокая температура в сочетании с высокой скоростью нагрева плазмы приводит к разрушению органических отходов, что приводит к увеличению газа и твердого остатка с различными свойствами, в зависимости от характеристик подачи и рабочих условий.

6.2.1.2.1.4.2 Влияние рабочих параметров

Распределение газа и твердого продукта из плазменного пиролиза зависит от условий эксплуатации, таких как входная мощность плазмы. Количество газового продукта может доходить до 70 до 80% от подачи, по сравнению  только от 10 до 20%  для обычного медленного пиролиза  и от 30 до 50% для быстрого пиролиза. Важные рабочие параметры, влияющие на распределение продукта,  заключаются в следующем.

6.2.1.2.1.4.3 Рабочая мощность

Как  только рабочая мощность увеличивается, плотность энергии и зона плазменного разряда увеличивается. Чем дольше  зона плазменного  разряда  приводит к большему  времени существования частиц в зоне высоких температур, которые, в свою очередь, увеличивают вероятность выхода основного образования радикалов и газа. Однако, конкретное потребление энергии резко увеличилось выше определенной температуры, поскольку с увеличением входной мощности, максимальная температура,  достигнутая в зоне разгрузки увеличивалась незначительно из-за повышенной потери  мощности разряда, как радиации. Кроме того, в данной области параметров, газообразная товарная структура плазменного пиролиза в основном контролируется C / H отношением  различных материалов, и, следовательно, чрезмерное увеличение ввода мощности не имеет никакого влияния на выход продукта. Подходящий уровень входной мощности должен быть выбран для конкретного процесса пиролиза плазмы, чтобы получить разумный выход продукта с использованием минимального удельного энергопотребления.