Деструкция органических соединений и удаление кислорода из конденсата

Оптимизация комбинированного VUV/UV/O3/H2O2 способа деструкции

органических соединений и удаления кислорода из конденсата

С. В. Изюмов, В. Ф. Чабак*; Е. Ю. Щекотов, Д. Е. Щекотов**; И. В. Кочетов, А. П. Напартович;*** В. Ф. Тяпков****, В. П. Поваров, М. Г. Щедрин, С. А. Воробьев*****
 *НИЦ "Курчатовский институт"

 ** ООО ИТЦ "Комплексные исследования"

 *** ФГУП "ГНЦ РФ ТРИНИТИ"

 **** ОАО "ВНИИАЭС"

***** Филиал ОАО "Концерн Росэнергоатом" "Нововоронежская атомная станция"

Введение

Для подготовки технической воды в промышленности используется метод, основанный на испарении и конденсации воды, имеющей загрязнения неорганическими и органическими соединениями. Для дальнейшего рименения этого конденсата, как правило, требуется снижение концентрации ТОС (общего органического углерода) от 1-4 мг/дм3 до 100-500 мкг/дм3, а также уменьшение концентрации кислорода до 20 мкг/дм3.

Методы

Целью настоящей работы было исследование и оптимизация метода удаления органических соединений из конденсата с использованием комбинированного VUV/UV/O3/H2O2 АОР-процесса.

VUV - вакуумный ультрафиолет;

UV - ультрафиолетовое излучение;

O3 - озон;

H2O2 - пероксид водорода;

AOP - Advanced Oxidation Processes - процессы интенсивного окисления.

Исследования проводились на пилотной установке, имевшей скорость обрабатываемого потока около 4 м3/час. Использовалось 5 VUV-генераторов ОН-радикалов и озона на базе эксимерных ксеноновых ламп вакуумного спектрального диапазона (172 нм) с накачкой импульсным барьерным электрическим разрядом мощностью 120 Вт. Полая эксимерная лампа VUV генератора позволяет получать до 4 г озона в час и генерировать радикалы ОН в воде. В качестве UV-источника применялась установка с ртутными ультрафиолетовыми лампами низкого давления суммарной мощности излучения 600 Вт (254 нм). Дозирование перекиси водорода осуществлялось в диапазоне от 1 до 100 мг/дм3. Установка работала автоматически в режиме проточного реактора и реактора с рециркуляцией с баком емкостью 2.3 м3.

Для нейтрализации О3, О2 и Н2О2 применялся палладиевый катализатор, осажденный на анионитной ионообменной смоле. Нейтрализация кислорода осуществлялась при добавлении водорода, получаемого с помощью электролизера, в обработанную воду. Производительность электролизера – 16 дм3/час водорода. В экспериментах измерялись: рН раствора, ТОС, концентрация О2 в воде, проводимость, температура и давление конденсата. Для оптимизации VUV-генератора по производительности озона разработана численная модель процесса образования О3 в воздухе и кислороде с учетом влажности в газовой смеси при использовании эксимерной (172 нм) и ртутной лампы с одновременной генерацией на длинах волн 185 нм и 254 нм.

Результаты

Исследования показали, что комбинированный VUV/UV/O3/H2O процесс является эффективным средством удаления ТОС из конденсата. В проточном режиме работы реактора с расходом 3.96 м3/час достигнута степень деструкции органических соединений > 50% при концентрации перекиси водорода ~60 мг/дм3. В режиме рециркуляции при полном объеме воды в установке 2.3 м3 за 200 минут достигнута концентрация ТОС 67 мкг/дм3 от начальной концентрации ТОС 640 мкг/дм3 (деструкция ~ 90%). Удаление органического углерода сопровождается падением значения параметра рН, который при деструкции 90% постепенно восстанавливается к начальному значению. Замедление скорости разложения органики в режиме рециркуляции при деструкции >90%, как показывают модельные эксперименты, проводившиеся с различными органическими соединениями, в том числе с конденсатом, связано с образованием муравьиной и уксусной кислот, имеющих на 2 порядка меньшую константу скорости реакции с ОН-радикалом, чем тяжелые органические молекулы. При требовании снижения концентрации кислорода в обработанном растворе целесообразно работать в режиме с постепенным снижением концентрации перекиси водорода от начального значения 50 мг/дм3 до 2 мг/дм3 в последней фазе окисления. На палладиевом катализаторе объемом 30 дм3 при скорости протока обработанного раствора через фильтр 0,36 м3/час с реализованной системой растворения водорода получено снижение концентрации кислорода до 100 мкг/дм3.

Результаты численного моделирования процесса генерации озона при воздействии VUV-излучения ксеноновой и ртутной ламп хорошо согласуются с измеренными значениями концентрации озона и производительности его генерации при заданной скорости протока воздуха и чистого кислорода, а также разумно описывают влияние уровня концентрации паров воды в газе.