專利名稱：在輸運(yùn)管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體物理和海洋環(huán)境保護(hù)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種在輸運(yùn)管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法。
背景技術(shù)：
外來有害生物入侵性傳播造成的災(zāi)害，已被全球環(huán)境基金組織(GEF)認(rèn)定為海洋面臨的四大威脅之一。船舶排放的壓載水是造成地理性隔離水體間有害生物傳播的最主要途徑。每年全球船舶攜帶的壓載水約100億噸，一艘載重10萬噸貨船攜帶的壓載水量可達(dá) 5-6萬噸，平均每立方米壓載水有浮游動(dòng)植物1. 1億個(gè)、細(xì)菌IO3億個(gè)、病毒IO4億個(gè)，每天全球在壓載水中攜帶的生物有3000-4000種，僅在一個(gè)壓載水艙中就有存活腰鞭毛蟲胞囊3 億個(gè)，艙底的沉積物中有22500個(gè)/cm3浮游植物孢子。到目前為止，已確認(rèn)500種左右的生物物種是由船舶壓載水傳播的。與自然海洋生態(tài)環(huán)境相比，船舶壓載水是一種特殊環(huán)境下的生態(tài)系統(tǒng)，經(jīng)壓載水馴化并存活的生物往往具有極強(qiáng)的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。它們一旦釋放到自然海洋環(huán)境中，就可能產(chǎn)生不可控制的“雪崩式”繁殖，對(duì)土著物種造成極大的沖擊，甚至引起本地物種滅絕，引發(fā)一系列生態(tài)災(zāi)害。事實(shí)表明，船舶壓載水是導(dǎo)致全球范圍內(nèi)海洋生物多樣性破壞的主要原因之一，也是造成有害寄生蟲和病原體的大面積迅猛傳播的重要途徑之一。入侵物種給全球經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這種損失每年以近百億美元的速度遞增。船舶壓載水引起的外來有害生物入侵規(guī)模仍在擴(kuò)大，因此，國際海事組織IMO 向全世界緊急呼吁尋找有效的壓載水治理方法。而現(xiàn)有的壓載水處理設(shè)備和方法都存在許多問題1) “在航深海更換壓載水的方法”耗能高，且操作、運(yùn)行時(shí)間過長；2)為保證殺滅微生物而過量加氯的方法不但加重腐蝕船艙中的設(shè)施更會(huì)產(chǎn)生致癌有機(jī)氯化物，在船上存放數(shù)噸的液氯會(huì)存在泄露、爆炸等安全問題；3)目前可采用的方法如在航更換處理或在目的地港口進(jìn)行岸上處理都存在安全和能耗大，或當(dāng)?shù)卣顿Y幾樣口維護(hù)設(shè)置管理等問題。因此，開發(fā)一種簡單、有效的在線治理壓載水的方法迫在眉睫。船舶壓載水的治理，應(yīng)遵循高級(jí)(先進(jìn))氧化技術(shù)(Α0Τ或Α0Ρ)的要求，從源頭上解決治理過程中的環(huán)境污染問題，力求實(shí)現(xiàn)零污染、零廢物排放。為此，采用綠色強(qiáng)氧化劑羥基自由基(·0Η)是首選的方法，-OH(E0 = 2. 80V)與氟的氧化能力相當(dāng)，是進(jìn)攻性最強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)之一，它幾乎能和所有的生物大分子、有機(jī)物和無機(jī)物發(fā)生不同類型的化學(xué)反應(yīng)。 羥基自由基具有極強(qiáng)的殺滅海洋入侵生物的特性，可在壓載水輸送過程中殺滅海洋入侵生物。羥基自由基的主要產(chǎn)生方法有光催化法(UV+Ti02)、光輻射(UV)、Fe2+(Feton)反應(yīng)、UV(紫外光)+O3(臭氧)、UV+H202 (過氧化氫)、超聲波分解及其協(xié)同作用等，已被有效地應(yīng)用于去除污水中有機(jī)、有害污染物和地下水、飲用水處理等方面。但上述羥基自由基產(chǎn)生方法存在的問題(1)制取· OH的濃度和產(chǎn)生量小，只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究；⑵加工羥基自由基時(shí)需外加大量的藥劑及催化劑如H202、03、TiO2, Fe2+(鐵鹽)，大多是以 H202、03作為反應(yīng)主體，存在治理成本高以及使用H2O2的安全等問題；(3)化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)低于3L/mol · s，完成化學(xué)反應(yīng)時(shí)間在20min-90min ； (4)應(yīng)用過程中需外加高效鼓泡塔反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器、流化床光催化反應(yīng)器、撞擊流反應(yīng)器等龐大設(shè)備，以便強(qiáng)化生化反應(yīng)速率及提高處理效率；(5)由于紫外線照射(UV)穿透性能力差，需外加龐大的紫外線輻射設(shè)備，難以應(yīng)用于治理大型船舶壓載水上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在輸運(yùn)管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法。本方法遵循了國際化學(xué)界研究前沿“綠色化學(xué)”原則，采用天然物質(zhì)O2為原料，在綠色環(huán)境友好的常溫常壓及無催化劑條件下，利用大氣壓強(qiáng)電場(chǎng)放電的極端物理手段，將O2離解電離(8. 4eV, 12. 5eV)生成02+、O(1D)、O(3P)、O3等活性粒子，將所生成的高濃度氧活性粒子通過氣液混合器注入壓載水輸運(yùn)管道中，氧活性粒子中的O2+與水反應(yīng)生成高初始反應(yīng)速率常數(shù)為 2. 2X IO6LAiol. s的過氧羥基離子HO2-引發(fā)劑，氧活性粒子中的02+、03與引發(fā)劑H02_進(jìn)行等離子體反應(yīng)生成以· OH為主的活性粒子基團(tuán)，殺滅壓載水中有害水生生物和病原體，同時(shí)降解有機(jī)污染物質(zhì)，凈化船舶壓載水；此裝備簡單、高效，不用催化劑、吸收劑和還原劑，不產(chǎn)生任何二次污染的副產(chǎn)品，不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)面影響的壓載水處理方法。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用技術(shù)方案是氧活性粒子發(fā)生器利用高頻高壓電源強(qiáng)電場(chǎng)放電的極端物理手段，將空氣中的氧氣電離生成小流量高濃度的02+、O(1D)、O(3P)、O3等氧活性粒子，注入壓載水輸運(yùn)管道或輸運(yùn)主管道中，氧活性粒子中O2+通過氣液混合器與管道中壓載水發(fā)生等離子體化學(xué)反應(yīng)生成高濃度(100mg/L 400mg/L)、高初始反應(yīng)速率常數(shù)(2. 2X106L/mol. s)的H02_引發(fā)劑， 02+、O3等氧活性粒子與引發(fā)劑H02_反應(yīng)生成高濃度羥基自由基· OH(0. 4mg/L 160mg/L)， 再注入壓載水輸運(yùn)主管道中殺滅其中的有害水生生物和病原體，氧化、降解污染物質(zhì)。在壓載水輸運(yùn)管道或輸運(yùn)主管道中注入氧活性粒子，與水反應(yīng)生成高濃度HO2-引發(fā)劑繼而產(chǎn)生羥基自由基溶液的具體過程如下1.氧活性粒子產(chǎn)生器的氧活性粒子制取本發(fā)明的氧活性離子體產(chǎn)生器采用介質(zhì)阻擋強(qiáng)電場(chǎng)電離放電方法把O2制成濃度達(dá)到100mg/L 400mg/L的氧活性粒子。在放電極與接地極之間的0. 5mm 0. Olmm放電間隙中建立折合電場(chǎng)強(qiáng)度在200Td 400Td范圍內(nèi)電離放電電場(chǎng)，電子從電場(chǎng)中獲得平均能量達(dá)到6eV 9eV，其中大部分電子所具有的最有用能量(8. 4eV 12. 5eV)將沉積在O2 上，足以把氧氣(O2)離解、電離成高濃度活性粒子，并在電場(chǎng)參數(shù)調(diào)控下分別定向合成氧活性粒子[O^O^PhOCDhOj。產(chǎn)生氧活性粒子等離子體反應(yīng)模式如圖5中A所示，其等離子體反應(yīng)式
_4] o2 + e* 4o2++2eO2+ e* -S O(3P) + O(1D) + e
Jco2 + e* O(3P) + O(3P) + e
權(quán)利要求
1.一種在輸水管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法，即氧活性粒子(O2^O(1D)、 0 (3P)、O3〕注入壓載水輸運(yùn)管道或輸運(yùn)主管道中，實(shí)現(xiàn)在壓載水輸運(yùn)過程中殺滅壓載水中的水生生物和病原體，其特征在于a)氧氣在強(qiáng)電離電場(chǎng)中電離、離解形成氧活性粒子(O2^O(1D)J(3PhO3)，其濃度達(dá)到 100mg/L 400mg/L ；b)氧活性粒子與壓載水反應(yīng)生成反應(yīng)速率常數(shù)為2.2 XlOVmol · s的過氧羥基離子 (HO2-)引發(fā)劑，其濃度達(dá)到40mg/L 300mg/L ；c)氧活性粒子在H02_引發(fā)劑作用下與壓載水反應(yīng)生成羥基自由基(·0Η)，其濃度達(dá)到 0. 4mg/L 160mg/L ；d)在沒有加入任何化學(xué)藥劑條件下，在4m 20m長的壓載水輸運(yùn)管道中注入氧活性粒子致死水生生物和病原體效率達(dá)到96% 100% ；e)致死壓載水中水生生物和病原體的生化反應(yīng)速率常數(shù)為IO7LAioI· s IOltlL/ mol · s，致死時(shí)間為Is 10s。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在輸水管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法，其特征在于壓載水從壓載艙排放或注入壓載艙的過程中，氧活性粒子通過氣液溶解器直接注入壓載水輸運(yùn)主管道中致死其中水生生物和病原體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在輸水管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法，其特征在于從壓載水輸運(yùn)主管路中取出1/4 1/20的壓載水分成2 20支路，每路壓載水通過1個(gè)氣液溶解器與氧活性粒子接觸，制成· OH溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的一種在輸水管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法， 其特征在于各支路制取的濃度為40 160mg/L的· OH溶液，再重新注入壓載水輸運(yùn)主管路中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在輸水管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法，其特征在于所述的壓載水排放管道中氧活性粒子的濃度可根據(jù)壓載水中水生生物和病原體的生物量進(jìn)行調(diào)整。
全文摘要
一種在輸運(yùn)管道中氧活性粒子注入處理船舶壓載水方法，屬于等離子體物理和海洋環(huán)境保護(hù)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。其特征是氧氣在強(qiáng)電離電場(chǎng)中電離、離解形成氧活性粒子〔O2+、O(1D)、O(3P)、O3〕，其濃度達(dá)到100mg/L～400mg/L；氧活性粒子與壓載水反應(yīng)生成反應(yīng)速率常數(shù)為2.2×106L/mol·s的HO2-引發(fā)劑，其濃度達(dá)到40mg/L～300mg/L；氧活性粒子在HO2-引發(fā)劑作用下與壓載水反應(yīng)生成羥基自由基(·OH)，其濃度達(dá)到0.4mg/L～160mg/L，致死壓載水水生生物和病原體效率達(dá)到96％～100％；本發(fā)明的效果和益處是解決了壓載水治理存在問題，實(shí)現(xiàn)了簡單、高效，不用催化劑、吸收劑和還原劑，不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)面影響的治理壓載水處理方法。
文檔編號(hào)C02F1/50GK102173485SQ20101060230
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者張拿慧, 張芝濤, 楊波, 白敏冬, 白敏菂, 薛曉紅 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)