ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 4, с. 420-425
УДК 537.525
ПРИМЕНЕНИЕ БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ФЕНОЛА. ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКТОРА
© 2007 г. А. Г. Бубнов, В. И. Гриневич, О. Н. Маслова, В. В. Рыбкин
Ивановский государственный химико-технологический университет
bub@isuct.ru Поступила в редакцию 28.07.2005 г.; 06.11.2006 г.
Исследован процесс разложения фенола в водном растворе при действии на него поверхностно-барьерного разряда атмосферного давления в кислороде, а также тепловые характеристики реактора. Степень разложения фенола достигает 99%, при этом до 80% состава образующихся продуктов представлены в виде молекул С02. Процесс разложения носит нетермический характер. Найдено, что энергия, конвертируемая в тепловую энергию нагрева раствора, увеличивается с ростом полной энергии, подводимой к реактору. В этом случае доля конвертируемой в тепловую энергию по отношению к полной снижается с 40 до 17%.
В связи с возрастающими процессами загрязнения природной воды органическими веществами в последние годы возрос интерес к разработке эффективных способов ее очистки, базирующихся на методах физики и химии высоких энергий [1-3]. Широко применяемые для этих целей озоновый метод или УФ-облучение так или иначе используют газовые разряды, поскольку источником озона служит обычно разряд атмосферного давления, а для получения УФ-излучения также используют газоразрядные лампы. Но озон и УФ-излуче-ние не реализуют возможности разряда полностью. Помимо этих факторов существуют и другие агенты плазмы, способные эффективно разрушать органические загрязнения. Это радикалы, возбужденные частицы, ионы и т.п. С этой точки зрения системы, в которых зона разряда контактирует непосредственно с обрабатываемым раствором, являются перспективными. Такими системами являются различного типа разряды атмосферного давления, возбуждаемые на границе раздела газ-жидкость [4-6]. Воздействие разряда на жидкость приводит к эффективному разрушению ряда вредных органических соединений, растворенных в воде [4-6]. Для практической реализации и теоретического анализа нужны данные об электрофизических параметрах реакторов, которые в известной нам литературе практически отсутствуют. В настоящей работе на основе данных эксперимента рассматриваются некоторые аспекты теплового режима работы реактора поверхностно-барьерного разряда для очистки воды от органических соединений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты проводили в реакторе с коаксиальным расположением электродов, схема кото-
рого приведена на рис. 1, а подробное описание его работы приведено в [7]. В отличие от реактора, описанного в [7], его корпус (диэлектрический барьер), имел внутренний диаметр 12 мм, а в качестве плазмообразующей среды использовался только кислород (содержание основного компонента не менее 99.5%). Величина приложенного к электродам напряжения изменялась в пределах 5-14 кВ.
В качестве модельного загрязнителя дистиллированной воды использовался фенол начальной концентрации 10 мг/л. Объемный расход водного раствора изменялся от 0.01 до 0.12 см3/с. Измерения температуры жидкости на входе и выходе реактора производились двумя калиброванными термопарами (медь-константан).
После установления стационарного состояния обработанная жидкость подвергалась фотометрическому анализу. Для определения фенола использовалась цветная реакция с 4-аминоантипи-рином с определением поглощения на длине волны 450 нм [8] (спектрофотометр Perkin-Elmer Lambda 20). Содержание молекул CO2 в виде бикарбонат ионов находили путем потенциометри-ческого титрования [9]. Выходящий из зоны разряда газ поступал к кювету, где измерялась концентрация озона по поглощению излучения ртутной лампы ПРК-4 на длине волны 254 нм. Далее этот газ поступал в поглотительную кювету с раствором хлорида бария. Образовавшийся осадок карбоната бария растворяли в определенном объеме соляной кислоты известной концентрации, а избыток кислоты титровали раствором гидрооксида натрия.
Ввод раствора
Выход газа <-
Внешний электрод
Гидрофильный материал
Выход раствора
I I
Диэлектрический барьер,стеклянная трубка
Зона разряда
Вход газа
Внутренний электрод
Рис. 1. Схема реактора.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Измерения показали (рис. 2), что разложение фенола при обработке его водных растворов в барьерный разряд протекает достаточно эффективно (степень разложения достигает 99%). При этом до 80% распавшегося фенола конвертируется в молекулы С02, содержащиеся как в растворе, так и в газовой фазе (рис. 26). Воздействие разряда приводит к нагреву раствора (рис. 26 и 3), при этом температура массивного внутреннего электрода практически не меняется, а сами температуры не слишком отличаются от комнатных. Полученный результат имеет принципиальное значение и свидетельствует о том, что процесс деструкции фенола носит исключительно нетермический характер. Эти же данные позволяют провести оценку мощности, вкладываемой в раствор следующим образом. Расположим продольную координату х вдоль оси внутреннего цилиндра, и за начало ко-
ординат считаем место выхода жидкости (входа газа).
Уравнение теплопроводности при движении жидкости со среднемассовой скоростью ¥1 имеет вид:
(р с) (р с) ¥1^Т = а1УхУТ + К. (1)
Введем следующие обозначения: тъ г2 - внутренний и наружный радиусы кольца жидкости, (г2 - гх) = Н - толщина слоя жидкости. В наших условиях Н ~ 1 мм, гъ г2 > Н, так что можно было полагать, что площадь кольцевого зазора слоя
2пг2Н, а массовый
/ 2 2 ч
жидкости равна п( г2 - г1)
расход жидкости q равен р¥1 =
2 пг2 Н'
Усредним уравнение (1) по сечению кольцевого зазора, т.е. умножим (1) на га?га?ф, проинтегрируем
С, мкмоль/л 640 к
50 40 30 20 10
500 400 300 200 100
50
100
150 200 250 т, с
ё2 Т , . . т.ёТ , , 2
X-+ (р с) ¥1 -г- + К +-
ёх ёх (Г2- Г])
ёТ Х г2ёг
ёТ
- Х Г1ёГ
= 0,
где Т - средняя по сечению зазора температура,
К - средняя по сечению плотность объемных источников тепла. Будем полагать, что действие разряда можно описать постоянной плотностью поверхностных источников а, т.е.
ёТ
Х ёг
= а,
а теплоотвод на границе жидкость-электрод приближенно равен
ёТ Х ёг
X"
Н
где Т - температура электрода. Обработка экспериментальных данных по уравнению (2) проводили двумя способами: первый - использовали решение уравнения (2) в полном виде, второй - пренебрегали переносом тепла теплопроводностью вдоль оси реактора. Оказалось, что оба способа приводят к одним и тем же результатам, т.е. конвективный перенос тепла являлся определяющим.
С учетом только конвективного переноса, введя новую переменную 0 = (Т - Те), получаем:
^ - а0
ёх
в = 0,
(3)
где:
а=
2 п Г2 X сqH '
в ^ ( к+а
2пг2 Я
сq
(4)
= (К + На ) - эффективная плотность источников тепла.
Решение (3) с граничным условием 0 = 0 при х = 1 (где 1 = 12 см - длина разрядной зоны) имеет вид:
Рис. 2. Зависимость концентрации фенола на выходе из разряда (а) и суммарной концентрации молекул СО2 в жидкой и газовой фазах (б) и от времени контакта жидкости при начальной концентрации фенола Сн = 638 мкмоль/л (в пересчете на атомы углерода), полной мощности 14.7 Вт и времени контакта газа 9.3 с.
по г1 до г2 и по ф от 0 до 2п и разделим на площадь зазора. Для установившегося режима получим
0( х) = а{ 1-ехр [а( х -1)]},
(5)
разность температур на выходе и входе в реактор 0( х = 0) = в [ 1-ехр (- ф( q )-1)], (6)
2 п г21X
где ф =
Нс
Экспериментальные результаты (рис. 3) хорошо описываются соотношением (7), расчеты по которому и позволяют определить суммарную
(2) мощность источников тепла
Ж = в фс = а
= (2пг21Н)КеГ, приведенную в таблице.
Отметим, что постоянство параметра ф в пределах погрешности, зависящего только от геометрии и свойств жидкости (уравнение (6), таблица), для разных режимов обработки является дополнительным подтверждением реалистичности предложенной модели.
Использование специфичных условий энерго-
ёТ
обмена на границе газ-жидкость в виде Хё-
= а было обусловлено следующим. Первоначально эти условия были заданы в виде закона Ньюто-
0
Мощность источников тепла в растворе в зависимости от мощности, вкладываемой в разряд
Полная мощность вкладываемая в разряд, Вт Коэффициент а/в, К Коэффициент ф, кг с-1 Мощность источников Ш, Вт %
3.1 2.9 ± 0.2 (1.0 ± 0.20) х 10-4 1.22 39.7
4.7 4.4 ± 0.2 (7.0 ± 0.91) х 10-5 1.30 27.6
7.3 5.9 ± 0.3 (6.0 ± 0.84) х 10-5 1.49 20.2
10.5 6.6 ± 0.3 (7.0 ± 0.75) х 10-5 1.95 18.6
14.7 6.7 ± 0.07 (9.0 ± 0.25) х 10-5 2.54 17.3
на, так же как и на границе жидкость-электрод. В этом случае с помощью полученного решения также можно было хорошо описать экспериментальные результаты, характеризующиеся зависимостями температур от расхода жидкости. Однако найденные при такой обработке характеристики были физически нереальными. Так, для условий рис. 3 получалось, что суммарная мощность источников составила ~100 Вт при полной вкладываемой мощности 14.7 Вт. Это означает, что передача энергии в жидкость осуществляется в основном не за счет теплопроводности, а является результатом процессов выделения внутренней энергии различных возбужденных частиц плазмы, т.е. их дезактивации на границе раздела плазма-жидкость.
Как видно из таблицы, при повышении мощности, вкладываемой в разряд, возрастает не только мощность, которую удается вложить в жидкую фазу, но и потери полезной мощности. Причем, если в первом случае зависимость близка к линейной, то во втором случае она носит явно выраженный экспоненциальный характер.
ДТ
Измерения температуры воды, обработанной в плазме, показали, что разница температур на выходе из реактора зависит от расхода газа. При увеличении скорости газового потока над жидкостью, ее температура на выходе из реактора уменьшается. Причем, чем выше полная мощность, вкладываемая в разряд, тем больше разница между перепадом температур, измеренным для максимального и минимального расходов газа (рис. 4):
Д Т = Д Гт1П - Д ттах,
где ДТт1п и ДТтах - разница температур жидкости на выходе и входе из разрядника при минимальном и максимальном расходах газа соответствен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.