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在输运管道中活性粒子注入处理船舶压载方法

阅读:1030发布:2020-07-16

专利汇可以提供在输运管道中活性粒子注入处理船舶压载方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种在输运管道中 氧 活性粒子注入处理 船舶 压载 水 方法,属于 等离子体 物理和海洋环境保护应用技术领域。其特征是:氧气在强电离 电场 中电离、离解形成氧活性粒子〔O2+、O(1D)、O(3P)、O3〕,其浓度达到100mg/L~400mg/L;氧活性粒子与压载水反应生成反应速率常数为2.2×106L/mol·s的HO2-引发剂,其浓度达到40mg/L~300mg/L;氧活性粒子在HO2-引发剂作用下与压载水反应生成羟基自由基(·OH),其浓度达到0.4mg/L~160mg/L,致死压载水水生 生物 和病原体效率达到96%~100%;本 发明 的效果和益处是解决了压载水治理存在问题,实现了简单、高效,不用催化剂、吸收剂和还原剂,不对环境产生任何负面影响治理压载 水处理 。,下面是在输运管道中活性粒子注入处理船舶压载方法专利的具体信息内容。

+ 1
1.一种在输管道中活性粒子注入处理船舶压载水方法,即氧活性粒子O2、O(D)、
3
O(P)和O3注入压载水输运管道或输运主管道中,实现在压载水输运过程中杀灭压载水中的水生生物和病原体,其特征在于:
+ 1 3
a)氧气在强电离电场中电离、离解形成氧活性粒子O2、O(D)、O(P)和O3,其浓度达到
100mg/L~400mg/L;
6
b)氧活性粒子与压载水反应生成反应速率常数为2.2×10L/mol·s的过氧羟基离子-
(HO2)引发剂,其浓度达到40mg/L~300mg/L;
-
c)氧活性粒子在HO2 引发剂作用下与压载水反应生成羟基自由基(·OH),其浓度达到
0.4mg/L~160mg/L;
d)在没有加入任何化学药剂条件下,在4m~20m长的压载水输运管道中注入氧活性粒子致死水生生物和病原体效率达到96%~100%;
7 10
e)致死压载水中水生生物和病原体的生化反应速率常数为10L/mol·s~10 L/mol·s,致死时间为1s~10s。
2.根据权利要求1所述的一种在输水管道中氧活性粒子注入处理船舶压载水方法,其特征在于:压载水从压载舱排放或注入压载舱的过程中,氧活性粒子通过气液溶解器直接注入压载水输运主管道中致死其中水生生物和病原体。
3.根据权利要求1所述的一种在输水管道中氧活性粒子注入处理船舶压载水方法,其特征在于:从压载水输运主管路中取出1/4~1/20的压载水分成2~20支路,每路压载水通过1个气液溶解器与氧活性粒子接触,制成·OH溶液。
4.根据权利要求3所述的一种在输水管道中氧活性粒子注入处理船舶压载水方法,其特征在于:各支路制取的浓度为40~160mg/L的·OH溶液,再重新注入压载水输运主管路中。
5.根据权利要求1所述的一种在输水管道中氧活性粒子注入处理船舶压载水方法,其特征在于:所述的压载水排放管道中氧活性粒子的浓度根据压载水中水生生物和病原体的生物量进行调整。

说明书全文

在输运管道中活性粒子注入处理船舶压载方法

技术领域

[0001] 本发明属于等离子体物理和海洋环境保护应用技术领域,涉及到一种在输运管道中氧活性粒子注入处理船舶压载水方法。

背景技术

[0002] 外来有害生物入侵性传播造成的灾害,已被全球环境基金组织(GEF)认定为海洋面临的四大威胁之一。船舶排放的压载水是造成地理性隔离水体有害生物传播的最主要途径。每年全球船舶携带的压载水约100亿吨,一艘载重10万吨货船携带的压载水量可达3 4
5-6万吨,平均每立方米压载水有浮游动植物1.1亿个、细菌10 亿个、病毒10 亿个,每天全球在压载水中携带的生物有3000-4000种,仅在一个压载水舱中就有存活腰鞭毛虫胞囊3
3
亿个,舱底的沉积物中有22500个/cm 浮游植物孢子。到目前为止,已确认500种左右的生物物种是由船舶压载水传播的。与自然海洋生态环境相比,船舶压载水是一种特殊环境下的生态系统,经压载水驯化并存活的生物往往具有极强的生命和竞争力。它们一旦释放到自然海洋环境中,就可能产生不可控制的“崩式”繁殖,对土著物种造成极大的冲击,甚至引起本地物种灭绝,引发一系列生态灾害。事实表明,船舶压载水是导致全球范围内海洋生物多样性破坏的主要原因之一,也是造成有害寄生虫和病原体的大面积迅猛传播的重要途径之一。入侵物种给全球经济带来巨大损失,据不完全统计,这种损失每年以近百亿美元的速度递增。船舶压载水引起的外来有害生物入侵规模仍在扩大,因此,国际海事组织IMO向全世界紧急呼吁寻找有效的压载水治理方法。而现有的压载水处理设备和方法都存在许多问题:
[0003] 1)“在航深海更换压载水的方法”耗能高,且操作、运行时间过长;
[0004] 2)为保证杀灭微生物而过量加氯的方法不但加重腐蚀船舱中的设施更会产生致癌有机氯化物,在船上存放数吨的液氯会存在泄露、爆炸等安全问题;
[0005] 3)目前可采用的方法如在航更换处理或在目的地港口进行岸上处理都存在安全和能耗大,或当地政府投资几样口维护设置管理等问题。因此,开发一种简单、有效的在线治理压载水的方法迫在眉睫。
[0006] 船舶压载水的治理,应遵循高级(先进)氧化技术(AOT或AOP)的要求,从源头上解决治理过程中的环境污染问题,力求实现零污染、零废物排放。为此,采用绿色强氧化剂羟基自由基(·OH)是首选的方法,·OH(E0=2.80V)与氟的氧化能力相当,是进攻性最强的化学物质之一,它几乎能和所有的生物大分子、有机物和无机物发生不同类型的化学反应。羟基自由基具有极强的杀灭海洋入侵生物的特性,可在压载水输送过程中杀灭海洋入侵生物。
[0007] 羟基自由基的主要产生方法有光催化法(UV+TiO2)、光辐射(UV)、Fe2+(Feton)反应、UV(紫外光)+O3(臭氧)、UV+H2O2(过氧化氢)、声波分解及其协同作用等,已被有效地应用于去除污水中有机、有害污染物和地下水饮用水处理等方面。但上述羟基自由基产生方法存在的问题:(1)制取·OH的浓度和产生量小,只能在小范围内进行实验与应用研究;2+
(2)加工羟基自由基时需外加大量的药剂及催化剂如H2O2、O3、TiO2、Fe (盐),大多是以H2O2、O3作为反应主体,存在治理成本高以及使用H2O2的安全等问题;(3)化学反应速率常数低于3L/mol·s,完成化学反应时间在20min-90min;(4)应用过程中需外加高效鼓泡塔反应器、旋转填料床反应器、流化床光催化反应器、撞击流反应器等庞大设备,以便强化生化反应速率及提高处理效率;(5)由于紫外线照射(UV)穿透性能力差,需外加庞大的紫外线辐射设备,难以应用于治理大型船舶压载水上。

发明内容

[0008] 本发明提供一种在输运管道中氧活性粒子注入处理船舶压载水方法。本方法遵循了国际化学界研究前沿“绿色化学”原则,采用天然物质O2为原料,在绿色环境友好的常温常压及无催化剂条件下,利用大气压电场放电的极端物理手段,将O2离解电离(8.4eV,+ 1 312.5eV)生成O2、O(D)、O(P)、O3等活性粒子,将所生成的高浓度氧活性粒子通过气液混+
合器注入压载水输运管道中,氧活性粒子中的O2 与水反应生成高初始反应速率常数为
6 - + -
2.2×10L/mol.s的过氧羟基离子HO2 引发剂,氧活性粒子中的O2、O3与引发剂HO2 进行等离子体反应生成以·OH为主的活性粒子基团,杀灭压载水中有害水生生物和病原体,同时降解有机污染物质,净化船舶压载水;此装备简单、高效,不用催化剂、吸收剂和还原剂,不产生任何二次污染的副产品,不对环境产生任何负面影响的压载水处理方法。
[0009] 本发明解决技术问题所采用技术方案是:
[0010] 氧活性粒子发生器利用高频高压电源强电场放电的极端物理手段,将空气中的氧+ 1 3气电离生成小流量高浓度的O2、O(D)、O(P)、O3等氧活性粒子,注入压载水输运管道或输+
运主管道中,氧活性粒子中O2 通过气液混合器与管道中压载水发生等离子体化学反应生
6 -
成高浓度(100mg/L~400mg/L)、高初始反应速率常数(2.2×10L/mol.s)的HO2 引发剂,+ -
O2、O3等氧活性粒子与引发剂HO2 反应生成高浓度羟基自由基·OH(0.4mg/L~160mg/L),再注入压载水输运主管道中杀灭其中的有害水生生物和病原体,氧化、降解污染物质。
[0011] 在压载水输运管道或输运主管道中注入氧活性粒子,与水反应生成高浓度HO2-引发剂继而产生羟基自由基溶液的具体过程如下:
[0012] 1.氧活性粒子产生器的氧活性粒子制取
[0013] 本发明的氧活性离子体产生器采用介质阻挡强电场电离放电方法把O2制成浓度达到100mg/L~400mg/L的氧活性粒子。在放电极与接地极之间的0.5mm~0.01mm放电间隙中建立折合电场强度在200Td~400Td范围内电离放电电场,电子从电场中获得平均能量达到6eV~9eV,其中大部分电子所具有的最有用能量(8.4eV~12.5eV)将沉积在O2上,足以把氧气(O2)离解、电离成高浓度活性粒子,并在电场参数调控下分别定向合成氧活+ 3 1性粒子[O2、O(P)、O(D)、O3]。产生氧活性粒子等离子体反应模式如图5中A所示,其等离子体反应式:
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] 为注入压载水输运管道中提供[O2+、O(3P)、O(1D)、O3]氧活性粒子浓度达到100mg/L~400mg/L。
[0019] 2.引发剂HO2-制取
[0020] 如图5中A产生的氧活性粒子中O2+与水在气液溶解器中反应生成HO2-引发剂;- -
H2O2与HO2 处于一种平衡反应状态,形成引发剂HO2 的浓度达到40mg/L~300mg/L。其等离子体化学反应式:
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 3.压载水输运管道中·OH溶液的制取
[0025] 注入压载水输运管道中的O2+、O3等氧活性粒子与HO2-引发剂进行等离子体化学反应生成以·OH为主的高浓度活性粒子基团。压载水输运管道中形成·OH的等离子体反应模式如图5中B所示,其等离子体反应式:
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
[0031] 氧活性粒子O2+、O3在HO2-引发剂作用下与压载水反应生成羟基自由基·OH,其浓度达到40mg/L~160mg/L。
[0032] 羟基自由基·OH致死压载水中水生生物和病原体的生化反应速率常数为107L/10
mol·s~10 L/mol·s,致死时间为1s~10s。在没有加入任何化学药剂条件下,在4m~20m长的压载水输运管道中注入氧活性粒子致死水生生物和病原体效率达到96%~100%,从而快速、有效地杀灭压载水中水生生物和病原体,达到国家海事组织规定的压载水排放标准。
[0033] 本发明的效果和益处是:(1)制取·OH的浓度高和产生量大;(2)采用本方法研制的装备简单、高效,不用催化剂、吸收剂和还原剂;(3)不产生任何二次污染的副产品,不对环境产生任何负面影响;(4)在压载水输送过程中完成压载水处理。本发明可广泛应用于船舶压载水处理。附图说明
[0034] 图1是在压载水排放过程中,氧活性粒子注入压载水输运主管道杀灭水中有害水生生物和病原体流程图
[0035] 图2是在压载水装载过程中,氧活性粒子注入压载水输运主管道杀灭水中有害水生生物和病原体流程图。
[0036] 图3是压载水排放过程把·OH溶液注入压载水输运主总管道中杀灭水中害水生生物和病原体的流程图。
[0037] 图4是压载水注入压载舱过程中把·OH溶液注入输运海水总管道中杀灭水中害水生生物和病原体的流程图。
[0038] 图5是产生·OH的等离子体化学反应模型图。
[0039] 图6是氧活性粒子产生器的结构示意图。
[0040] 图中:1.压载舱,2.压载水,3.,4.,5.流量计,6.气液溶解器,7.输运管道,8.净化后外排压载水,9.海洋,10.氧气,11.氧活性粒子产生器,12.高频高压电源,13.氧活性粒子,14.用于制取·OH溶液的压载水,15.压载水输运总管道,16.·OH溶液,17.净化后海水,18.海水,19.过滤器,20.用于制取·OH溶液的海水,21.接地极,22.冷却液体或气体入口,23.放电极板,24.隔片,25.电介质层,26.氧气入口,27.外壳
[0041] A.是氧活性粒子产生的等离子体化学反应模式。
[0042] B.是·OH化学反应模式。

具体实施方式

[0043] 下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例
[0044] 本发明的一种在输运管道中氧活性粒子注入处理船舶压载水方法,可通过以下四种方式实现:(1)在压载水排放的过程中,氧活性粒子注入压载水输运主管道生成羟基自由基进行船舶压载水处理,如附图1所示;(2)在装载压载水的过程中,氧活性粒子注入压载水输运主管道生成羟基自由基进行船舶压载水处理,如附图2所示;(3)在压载水排放的过程中,氧活性粒子注入从压载水输运主管路中取出1/4~1/20压载水的支路管道中制成羟基自由基(·OH)溶液,再重新注入压载水输运主管路中进行船舶压载水处理,如附图3所示;(4)在装载压载水的过程中,氧活性粒子注入从压载水输运主管路中取出1/4~1/20压载水的支路管中制成·OH溶液,再重新注入压载水输运主管路中进行船舶压载水处理,如附图4所示。详细说明如下:
[0045] 高频高压电源12向氧活性粒子产生器11施加高频高压电,形成电场强度为+ 1200~400Td的强电场电离放电,将氧气10电离、离解生成小流量高浓度的[O2、O(D)、
3
O(P)、O3]等氧活性粒子13,其浓度为100mg/L~400mg/L;然后氧活性粒子13中气液混合器6注入压载水输运主管道15中,附图1是在压载水排放的过程中注入氧活性粒子13到压载水输运主管道15,附图2是在压载水装载的过程中注入氧活性粒子13到压载水输运+
主管道15。氧活性粒子13中的O2 与压载水2发生等离子体化学反应生成高浓度(100mg/
6 -
L~400mg/L)、高初始反应速率常数(2.2×10L/mol.s)的过氧羟基离子引发剂HO2 ;氧活+ -
性粒子13中O2、O3等与引发剂HO2 反应生成高浓度羟基自由基·OH,其浓度为0.4mg/L~
7
160mg/L,羟基自由基·OH致死压载水中水生生物和病原体的生化反应速率常数为10L/
10
mol·s~10 L/mol·s,致死时间为1s~10s。在没有加入任何化学药剂条件下,在4m~20m长的压载水输运管道中注入氧活性粒子致死水生生物和病原体效率达到96%~100%。另外氧活性粒子13还可以注入从压载水的支路管道7中制成·OH溶液16,再重新注入压载水输运主管路15中进行船舶压载水处理,附图3是在压载水排放的过程中,注入氧活性粒子13到压载水输运管道7中·OH溶液16,再重新注入制成压载水输运主管道15,附图4是在压载水装载的过程中注入氧活性粒子13到压载水输运管道7中·OH溶液16,再重新注入制成压载水输运主管道15。所述的压载水输运管道7是从压载水输运主管路15中取出
1/4~1/20压载水。向压载水输运管道中氧活性粒子的浓度可根据压载水中水生生物和病原体的生物量进行调整。
[0046] 本发明的关键技术是新研制产生高浓度[O2+、O(1D)、O(3P)、O3]等氧活性粒子13的氧活性粒子产生器5,其结构如图6所示。它是由放电极板21、接地极23、电介质层25和隔片24等部件组成。放电极板21是由中间涂覆金属材料和外层是极薄(330μm)的电介质层25烧结而成的,也可用不锈薄板加工成放电极板21,并在放电一侧贴覆电介质层25;接地极23是用不锈钢加工成空腔板件,并在冷却液体或氧气入口26输入冷却剂来调控等离子体反应过程的温度,在接地极表面上也可喷冶一层薄的电介质层25,电介质材料为超微细的纯净Al2O3粉体。
[0047] 按照本发明的方法,研制的“250吨/小时船舶压载水处理装备”在大连海大航运管理有限公司“育龙号”进行实船工业化试验,测试结果如表1、表2所示。
[0048] 1)羟基自由基致死压载水中细菌检测结果
[0049] 外排船舶压载水主管路中,大肠杆菌浓度为1.1×104个/mL,肠道球菌浓度为4 4
0.87×10 个/mL,细菌总量为1.8×10 个/mL;氧活性粒子注入压载水输运管道制成·OH溶液,再注入压载水输运主管道,其·OH溶液浓度为0.40mg/L。在主管路某处去取样,其相应致死时间为6.0s;处理后大肠杆菌为59cfu/100mL,肠道球菌为31cfu/100mL/mL,细菌总数为198.00cfu/100mL,致死率100.00%,24小时(2天)及120小时(5天)后均无再生现象。
[0050] 表1.在压载水处理舱中细菌的致死数据
[0051]
[0052] 注:细菌总数包括厌氧细菌和异样细菌,依照IMO要求,本次试验只检测厌氧细菌中的大肠杆菌和肠道球菌。
[0053] 2)羟基自由基致死压载水中浮游植物检测结果
[0054] 表2.在压载水处理舱中浮游植物的致死数据
[0055]
[0056] 外排船舶压载水输运主管路中大于50μm浮游植物含量为3×102个/mL,氧活性粒子注入压载水输运管道制成·OH溶液,再注入压载水输运主管道,其·OH溶液浓度为0.40mg/L。在主管路某处取样,其相应致死时间为6.0s,处理后检出活的浮游植物0个/mL,致死率100.00%,24小时及120小时后均无再生现象。外排船舶压载水主管路中10~
3
50μm浮游植物含量为5×10 个/mL,氧活性粒子注入压载水输运管道制成·OH溶液,再注入压载水输运主管道,其·OH溶液浓度为0.40mg/L。在主管路某处取样,其相应致死时间为6.0s,处理后检出活的浮游植物6个/mL,致死率99.88%,24小时及120小时后均无再生现象。
[0057] 综上所述,外排船舶压载水主管路中,体长>50μm的浮游植物浓度3×102个/3 4
mL,体长10~50μm的浮游植物浓度5×10 个/mL,细菌浓度为1.8×10 个/mL;注入
0.40mg/L羟基自由基溶液,致死时间6.0s;处理后压载水中的浮游植物为3个/mL、细菌总数为198cfu/100mL;致死率达到100.00%,且24小时及120小时后均无再生现象;检测结果达到了国际海事组织G8-D2的排放标准。
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