Ученые Томского политехнического университета создали установку для очистки воды, сымитировав природное явление — грозу. Отдельные капли проходят через зону электроразряда, и вода очищается без использования химических реагентов.
Томская школа высоковольтников
В Томском политехническом университете глубоко и продуктивно изучаются возможности технологического применения электроразряда. Существенный вклад в развитие данного направления внесен Томской школой высоковольтников, созданной профессором А.А. Воробьевым и имеющей полувековые традиции.
Электроразрядные технологии основаны на трансформации низкотемпературной и неравновесной разрядной плазмы в газах, жидких и твердых диэлектриках или полупроводящих материалах в энергию фазовых переходов, химических реакций, механическую работу и др. Их принципиальное отличие заключается в возможности адресного сообщения веществу большой плотности энергии в импульсном режиме. Это обеспечивает высокие скорости изменения физических и термодинамических параметров в обрабатываемом веществе. Воздействие на обрабатываемое вещество в электроразрядных технологиях многофакторное: мощное электромагнитное излучение (от УФ до радиодиапазона), электрические поля, меняющиеся со скоростью до 1010…1011 В/мс, заряженные частицы (электроны, ионы) и высокоэнергетичные атомы, ударные и акустические волны. Как правило, из-за неравновесности воздействие синергетическое, т.е. энергия взаимодействия больше суммы вкладов отдельно взятых факторов.
Очищение «грозой»
Для обработки одного кубометра воды требуется электроэнергии не больше, чем для работы обычной лампочки. В разработанном учеными комплексе «Импульс» вода очищается по следующей схеме: после предварительной грубой очистки вода поступает в аэрационную колонну, которая ее рассеивает.
Процесс основан на совместном действии природных окислителей (озона, атомарного кислорода, радикалов OH и других активных частиц) и УФ-излучения, генерируемых в водовоздушном потоке импульсным электрическим разрядом. При этом воспроизводятся явления, происходящие в природе во время грозовой деятельности. Сохраняются естественные свойства воды, так как электрические разряды развиваются в газовой фазе вблизи поверхности капель. Обработанная по такой технологии вода осветляется механическими фильтрами с зернистой загрузкой из недорогих доступных природных минералов. В конструкцию комплекса при необходимости легко встраиваются дополнительные технологические операции по корректировке pH, умягчению и т.д.
По словам разработчиков, эта технология позволяет эффективно очищать воду практически без использования химических реагентов. И это одно из основных преимуществ водоочистного комплекса.
Данный водоочистной комплекс может очищать воду для бытовых, медицинских нужд и для производства. На сегодняшний день специалисты университета уже собрали 120 комплексов «Импульс», которые успешно работают в разных уголках России и других стран. Экспериментальные установки собраны в Китае и Германии. Комплекс активно используется в северных регионах страны: Ямало-Ненецком, Ханты-Мансийском автономных округах, на севере Томской области.
Этим летом специалисты Института воды ТПУ установили водоочистной комплекс «Гейзер ТМ» в деревне Кижирово, которая находится в 40 километрах от Северска в районе поселка Самусь. Много лет жители деревни пользовались водой с повышенным содержанием железа и марганца. Благодаря новой водоочистной системе они могут использовать чистую воду для личных и хозяйственных нужд. В Кижирово живет около 120 человек. Еще столько же приезжают в деревню летом на свои дачные участки. Вода долгие годы была главной проблемой деревни.
Раньше поселок снабжался за счет водонапорной башни; когда башня пришла в негодность, было принято решение построить очистные сооружения. Томский политехнический университет выиграл конкурс на строительство водоочистного комплекса. Строительство началось в январе. Теперь жители получают чистую воду и довольны ее качеством.
Содержание железа и марганца в воде превышало норму примерно в десять раз. Сейчас система работает так: в деревне есть скважина, из которой вода поступает в водоочистной комплекс. Там вода проходит стадию очистки путем озонирования, фильтрации, после чего поступает в резервуар с чистой водой, а оттуда — к конечному потребителю.
Мощность комплекса составляет три кубометра в час, за сутки в поселок поступает 72 кубометра очищенной воды. Как отметили разработчики, этого объема должно хватать на личные и хозяйственные нужды местных жителей. Такая система хорошо подходит для небольших населенных пунктов, так как это экономичный и эффективный способ очистки. По всем показателям вода ничем не уступает бутилированной воде, которая продается в магазинах.
Кроме того, установленный в Кижирово комплекс полностью автоматизирован и оборудован датчиком SMS-информирования о неполадках.
Дело — труба
Разрушающее действие ударных и акустических волн, генерируемых расширяющимся разрядным каналом в воде, используется в установках очистки внутренних поверхностей труб.
Разрушение твердых минеральных отложений происходит за счет сдвиговых напряжений и напряжений растяжения, возникающих в них при взаимодействии волн с границами раздела жидкость-отложение-труба и способных их отслаивать.
Конструкция электродной системы зависит от диаметра трубопроводов и природы отложений. Достоинством метода является возможность варьирования параметрами волн.
Установки, разработанные томскими учеными, используются для очистки от накипи латунных трубок теплообменных аппаратов на ТЭЦ, где в обрабатываемые трубки вводится высоковольтный кабель с электродной системой на конце и вода для удаления шлама. Производительность при этом достигает 5 м/с.
Подобная технология использована на Томской городской станции водоподготовки для очистки дренажных труб скорых фильтров, которые «зарастают» отложениями вплоть до закупорки. После обработки внутренней поверхности труб электрическими разрядами восстанавливалась скорость фильтрации, увеличивалась интенсивность промывки фильтров и снижались потери напора.
Полученные результаты не являются предельными, и отработка технологии продолжается. С помощью электроразрядной технологии восстанавливается работоспособность как теплообменных аппаратов, так и дренажных труб скорых фильтров без использования химических реагентов, что делает эту технологию экологически безопасной и перспективной. Механические способы очистки уступают в эффективности, а в непрямых трубопроводах они вообще неприменимы.
Камень точит
В электроразрядных технологиях, основанных на механическом разрушении твердых материалов, энергия импульса на уровне 103 Дж обеспечивается громоздкими генераторами, малопривлекательными для промышленного применения. Поэтому основные усилия направлены на снижение энергетических параметров импульса, вызывающего образование разрядного канала.
Анализ результатов проведенных исследований показал возможность уменьшения энергии импульса до 30…50 Дж за счет повышения выделяемой в разрядном канале мощности и ее производной. Это достигается за счет временной компрессии энергии импульса. Режимы обработки были апробированы при резании гранита, габбро, песчаника и бетона в простой двухэлектродной системе в технической воде. Исследования доказали работоспособность электродных систем для установок резания, а также бурения скальных пород и снятия верхних слоев бетона. Появились реальные перспективы создания мобильных портативных устройств за счет снижения массогабаритных показателей основного элемента электроразрядных технологий импульсного генератора. Решение этой задачи сделает электроразрядные технологии по эффективности способными конкурировать с механическими технологиями.
Активатор химических реакций
Исследования электрического разряда как активатора химических реакций проводятся по нескольким направлениям. Наиболее продвинутыми на сегодняшний день являются работы по использованию электрического разряда в устройствах очистки и обеззараживания воды. Общеизвестно, что электрический разряд в воздухе является генератором озона, одного из мощных окислителей, используемых в качестве альтернативы хлору. В существующих классических озонаторах для генерации озона используется подсушенный воздух. Однако исследования последних лет показали, что эффективность процессов окисления при использовании увлажненного воздуха выше.
Сделаны предположения и частично подтверждены экспериментами, что при этом образуется не только озон, но и другие активные частицы, например, атомарный кислород и гидроксильные радикалы, которые по своей окислительной способности превосходят даже озон
