專利名稱：一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體物理與等離子體化學相結(jié)合的應用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的利用放電等離子體對污水進行處理或?qū)︼嬘盟M行消毒殺菌處理的方法和技術(shù)中，大多是采用先在氣體中放電產(chǎn)生等離子體，然后將含有臭氧等的氣體充入水中的方法，由于放電氣體中的大部分活性粒種的壽命很短，其氧化作用得不到充分地利用，另外，在這些方法中放電電壓不是加在水上，高電壓對水中雜質(zhì)的活化、極化和中性化作用并不產(chǎn)生很大影響，從而導致了這些水處理方法效率的低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種用短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體處理水的方法和設(shè)備。該方法設(shè)備可根據(jù)凈化指標的要求控制水的處理過程，有效地去除水中所含的物理、化學和微生物等污染物，無污染，處理成本低廉。
本發(fā)明的解決技術(shù)方案是首先建立水氣混合物，然后通過具有電介質(zhì)阻擋層的電極對其施加短高電壓脈沖，沿水滴或細流表面形成放電通道，產(chǎn)生等離子體，水中金屬顆粒雜質(zhì)被氧化和活化，生成具有絮凝作用和極化吸引作用的金屬氫氧化物和金屬氧化物，水中中性化和極性化了的雜質(zhì)微粒被金屬氫氧化物和金屬氧化物所絮凝和吸附，由過濾器從水中去除。所施加的正短高壓脈沖或負短高壓脈沖的寬度不大于0.5×10-6秒，脈沖前沿的上升速率不低于109伏/秒，脈沖電壓的幅值與電極之間距離的比值在(2-10)×103伏/毫米之間，短高壓脈沖的重復頻率不少于50脈沖/秒。設(shè)備由反應器1和短高壓脈沖發(fā)生器13組成，反應器1內(nèi)設(shè)有電極系統(tǒng)3，上部安裝有建立水氣混合物的部件2，下部設(shè)有引出水氣混合物的部件4，建立水氣混合物的部件2含有充氣器5、噴射泵6、入水管7、輸出氣體的管道8，充氣器5與風扇9相連接，引出水氣混合物的部件4含有預反應室10，電極系統(tǒng)3與短高壓脈沖發(fā)生器13相連接。電極系統(tǒng)(3)是由兩個或兩個以上的電極(14)構(gòu)成的梳狀結(jié)構(gòu)(15、16)組成，一個梳狀結(jié)構(gòu)上的電極(14)與相鄰的梳狀結(jié)構(gòu)上的電極(14)之間的距離是1-15mm。電極系統(tǒng)(3)的電極外部設(shè)有電介質(zhì)外套(17)。電介質(zhì)外套(17)是由一端封閉的石英玻璃管制成。引出水氣混合物的部件(4)的下端設(shè)有噴射泵(11)和輸出管道(12)。充氣器(5)和預反應室(10)內(nèi)設(shè)有散水隔柵(18)和(19)。短高壓脈沖頻率選取所依據(jù)的條件是f≥50v/h(脈沖/秒)，其中v為水氣混合流在電極區(qū)域的流速(米/秒)，h為電極系統(tǒng)的高度(米)。
在本發(fā)明中，上述的各項特征是靠如下的具體措施解決實現(xiàn)的首先利用充氣系統(tǒng)建立水氣混合物，水氣混合物再經(jīng)過一個裝有介質(zhì)外套17的電極系統(tǒng)3通過短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體進行加工處理。短高電壓脈沖沿水滴或細流表面形成放電通道，在水氣混合物中產(chǎn)生的短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體具有如下特點1)介質(zhì)阻擋放電布滿了整個反應器1的空間；2)產(chǎn)生高濃度的電離態(tài)和激發(fā)態(tài)的氧原子、氧分子、氫氧根、過氫氧化物和臭氧等具有強氧化作用的活性粒種；3)產(chǎn)生具有高輻射強度的紫外光。水中金屬顆粒雜質(zhì)被充分地氧化和活化，生成具有絮凝作用和極化吸引作用的金屬氫氧化物和金屬氧化物，水中中性化和極性化了的雜質(zhì)微粒被金屬氫氧化物和金屬氧化物所絮凝和吸附，由過濾器從水中去除。
在本發(fā)明所提出的短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體處理水的方法中，短高壓脈沖正的或負的高壓脈沖寬度不大于0.5×10-6秒，當脈沖寬度大于0.5×10-6秒時，不僅水處理能耗增加，而且水凈化效果也不佳。脈沖前沿的上升速率不低于109伏/秒，在脈沖前沿上升速率比較低時，要想以高的生產(chǎn)效率處理水，電能的耗量會明顯地增加。電壓脈沖的幅值與電極14之間距離的比值在(2-10)×103伏/毫米之間，當電壓脈沖的幅值與電極14間的距離之比小于2×103伏/毫米時，電極14間不能產(chǎn)生放電，因此水也不能被處理，而當電壓脈沖的幅值與電極14間的距離之比小于10×103伏/毫米時，發(fā)生器和傳輸線都將變得復雜化了，降低了設(shè)備工作的可靠性和增加了能耗。短高壓脈沖的頻率不少于50脈沖/秒，當脈沖頻率不小于50脈沖/秒時，處理后水中雜質(zhì)的含量都有明顯地減少。
在本發(fā)明所提出的放電電極系統(tǒng)3和放電參數(shù)的范圍里，污水已不再具有其導電性能，變成一種幾乎不導電的液體。這樣既保證了大幅度降低由歐姆加熱水所產(chǎn)生的能耗，同時也能極大地改善反應器1中各種電絕緣器件的電絕緣性能，延長其使用壽命。
在由本發(fā)明提出的放電電極14結(jié)構(gòu)形成的反應器1內(nèi)，等離子體是由介質(zhì)阻擋放電建立的。這種放電發(fā)生在水滴或水細流之間的氣隙內(nèi)，在水滴或水細流的表面上發(fā)展而成的。放電通道是由許多微型放電集合而成的，呈現(xiàn)一種準空間放電型態(tài)，含每一個水滴和每一段細流，分布于整個水流之中。因此經(jīng)過反應器的整個水流都受到等離子體的處理，其結(jié)果不僅提高了處理水的效果，而且降低了能耗。
本發(fā)明設(shè)備由反應器1和短高壓脈沖發(fā)生器13組成。將要處理的水送入噴射泵6，分散成水滴和空氣混合，形成的水氣混合流進入充氣器5，在這里再進一步與被風扇9吹入充氣器5的空氣混合。水沿著充氣器里的散水隔柵18從上而下地流入，而空氣則是由下而上地沖入，從而保障水與空氣中氧的充分混合。這時比較容易氧化的雜質(zhì)(例如Fe，Mn等)可被部分地氧化，并清除了硫化氫、碳酸、甲烷和其它氣體，改善了水的宏觀指標。這樣形成的水氣混合流進入放置電極系統(tǒng)3的區(qū)域，在這里以給定的放電參數(shù)，脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體對水進行處理。由短高壓脈沖發(fā)生器13對電極供電。放電區(qū)域里在水滴和細流的表面上產(chǎn)生臭氧、紫外輻射和多種活性粒子。所有這一切都進一步加深了對雜質(zhì)的氧化和將某些有機化合物(酚、甲烷等)分解成水和CO2，以及對水消毒和滅菌，完全除掉了水的味道，水變成透明的，并具有一種令人喜歡的味道。經(jīng)放電室被處理后的水進入預反應室10，該室類似于充氣器5，里面布滿了散水隔柵19，其目的是增加臭氧與水的接觸時間，以實現(xiàn)更充分地混合和反應。在充氣系統(tǒng)被氧化的鐵穿過放電區(qū)被活化了，因此具有很高的吸附特性，很多雜質(zhì)被吸附在它的上面，最后這些雜質(zhì)與鐵一起很容易地被過濾器清除。為了進一步使水和臭氧混合和加強氧化后雜質(zhì)的絮凝過程，在預反應室10的出口處安裝一臺噴射泵11，被處理過的水經(jīng)過輸出管道12進入過濾系統(tǒng)。
在本發(fā)明設(shè)備中，電極系統(tǒng)3由多個(兩個以上)電極14組成，這些電極分別安裝成兩個梳狀結(jié)構(gòu)15、16，一個梳狀結(jié)構(gòu)15與短高壓脈沖發(fā)生器13相連接，而另一個相鄰梳狀結(jié)構(gòu)16則接地，所有的電極14都穿上由石英玻璃管做成的電介質(zhì)外套17。一個梳狀結(jié)構(gòu)的電極到相鄰的另一個梳狀結(jié)構(gòu)的電極之間的距離為1-15mm的范圍內(nèi)，當這個距離小于1mm時，放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復雜，工作的可靠性和反應器的生產(chǎn)效率都下降了；而當該距離大于15mm時，工作電壓必須高于5萬伏，這就使放電系統(tǒng)復雜化，設(shè)備工作可靠性降低。電極可有各種形狀，實驗表明用柱狀和板狀的電極效果最好。所有電極都有一個電介質(zhì)外套17，它是由電絕緣材料制成的，比較合理的電介質(zhì)外套17是由固體電絕緣材料制成的，例如玻璃、陶瓷等，電介質(zhì)外套17有一定的厚度，它或者直接穿在電極14的表面上，或者離開電極14表面有一定距離。電極14電介質(zhì)外套17的厚度決定著放電系統(tǒng)3可通過水的截面積的大小，后者又與反應器1的水處理效率密切相關(guān)，被處理的水層變寬將導致處理效果下降?；谏鲜鲞@些考慮，電介質(zhì)外套17的厚度應當在保證其力學和電學強度條件下盡可能地小。在實際條件下，電介質(zhì)外套17的厚度是通過實驗確定的，但在任何情況下電介質(zhì)外套17的厚度都將小于電極14間距離的一半，電極14和電介質(zhì)外套17之間的距離應當盡可能地小，但在任何條件下這個距離都應當小于電極14間距和電介質(zhì)外套17厚度的一半。
在本發(fā)明設(shè)備中，使用了將一端封死的石英管做為電介質(zhì)外套17穿在不生銹的電極14上。
本發(fā)明的獨特優(yōu)點是在進行污水處理時，無需任何化學添加劑、處理過程簡單、無廢棄物、容易實現(xiàn)控制和自動化；它提高了水處理效率，極大地減少了能耗。該方法也可用來合成化學的化合物，活化液體和制備超微粉材料以及對各種不同表面的清洗消毒。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1是本發(fā)明的反應器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1.反應器，2.水氣混合部件，3.電極系統(tǒng)，4.水氣混合部件，5.充氣器，6.噴射泵，7.入水管，8.輸出氣體的管道，9.風扇，10.預反應室，11.噴射泵，12.輸出管道，13.短高壓脈沖發(fā)生器，14.電極，15.電極，16.電極，17.電介質(zhì)外套，18.散水隔柵，19.散水隔柵。
具體實施例反應器橫截面尺寸為400×500mm，高度為3500mm，電極系統(tǒng)3是由直徑為1.5mm不銹鋼桿構(gòu)成，電極14間的距離為7mm，電極穿有由石英玻璃管制成的電介質(zhì)外套17，石英玻璃的直徑為5mm，壁厚1.5mm，電極14和電介質(zhì)外套17之間的距離為0.25mm，電極14被分別安裝在兩個水平面上，在每一個水平面上裝有41個電極，電極系統(tǒng)3的高度(h)為50mm，水在電極14區(qū)域的流速(v)大約為1米/秒。
水的處理條件如下被處理的水中含有大腸桿菌103菌/升、酚0.2mg/升、三氯乙烯0.03mg/升、錳0.25mg/升、鋁0.1mg/升、銅2.0mg/升，每小時處理樣是在反應器1后取的，另一種水樣是過濾后取的，所得到的分析結(jié)果列在表1和表2中。
在表1里列出的結(jié)果是在以下的條件下得到的放電的短高壓脈沖頻率為103脈沖/秒。頻率選取所依據(jù)的條件是f≥50v/h，其中v為水氣混合流在電極14區(qū)域的流速(約1米/秒)，h為電極系統(tǒng)3的高度(h＝50×10-3米)。
從表1可看出，當脈沖寬度不大于0.5×10-6秒時，處理水的能耗減少了，同時對幾個主要雜質(zhì)成分，水的凈化效果都得到了改善。
在表2里給出了當脈沖寬度為0.2×10-6秒時，被處理后水的雜質(zhì)含量(mg/升)對脈沖頻率的依賴關(guān)系。從表2可以看出，當脈沖頻率不小于50脈沖/秒時，處理后的水中雜質(zhì)的含量都減少了。
處理后水中大腸桿菌含量少于1菌/升。
表1

表2

權(quán)利要求
1.一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法，其特征在于首先建立水氣混合物，然后通過具有電介質(zhì)阻擋層的電極對其施加短高電壓脈沖，沿水滴或細流表面形成放電通道，產(chǎn)生等離子體，水中金屬顆粒雜質(zhì)被氧化和活化，生成具有絮凝作用和極化吸引作用的金屬氫氧化物和金屬氧化物，水中中性化和極性化了的雜質(zhì)微粒被金屬氫氧化物和金屬氧化物所絮凝和吸附，由過濾器從水中去除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法，其特征是所施加的正短高壓脈沖或負短高壓脈沖的寬度不大于0.5×10-6秒，脈沖前沿的上升速率不低于109伏/秒，脈沖電壓的幅值與電極之間距離的比值在(2-10)×103伏/毫米之間，短高壓脈沖的頻率不少于50脈沖/秒。
3.一種實施權(quán)利要求1所述的一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是它由反應器(1)和短高壓脈沖發(fā)生器(13)組成，反應器(1)內(nèi)設(shè)有電極系統(tǒng)(3)，上部安裝有建立水氣混合物的部件(2)，下部設(shè)有引出水氣混合物的部件(4)，建立水氣混合物的部件(2)含有充氣器(5)、噴射泵(6)、入水管(7)、輸出氣體的管道(8)，充氣器(5)與風扇(9)相連接，引出水氣混合物的部件(4)含有預反應室(10)，電極系統(tǒng)(3)與短高壓脈沖發(fā)生器(13)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是所述的電極系統(tǒng)(3)是由兩個或兩個以上的電極(14)構(gòu)成的梳狀結(jié)構(gòu)(15、16)組成，一個梳狀結(jié)構(gòu)上的電極(14)與相鄰的梳狀結(jié)構(gòu)上的電極(14)之間的距離是1-15mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是所述的電極系統(tǒng)(3)的電極外部設(shè)有電介質(zhì)外套(17)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是所述的電介質(zhì)外套(17)是由一端封閉的石英玻璃管制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是所述的引出水氣混合物的部件(4)的下端設(shè)有噴射泵(11)和輸出管道(12)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是所述的充氣器(5)和預反應室(10)內(nèi)設(shè)有散水隔柵(18)和(19)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體水處理方法，其特征是所述的短高壓脈沖發(fā)生器(15)的頻率選取所依據(jù)的條件是f≥50v/h(脈沖/秒)，其中v為水氣混合流在電極區(qū)域的流速(米/秒)，h為電極系統(tǒng)的高度(米)。
全文摘要
本發(fā)明涉及等離子體物理與等離子體化學相結(jié)合的應用技術(shù)領(lǐng)域，是一種用短高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體處理水的方法和設(shè)備。該方法設(shè)備可根據(jù)凈化指標的要求控制水的處理過程，有效地去除水中所含的物理、化學和微生物等污染物。該技術(shù)可用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、及社會公共事業(yè)等領(lǐng)域中的飲用水、供水和污水處理，以及對水進行消毒、滅菌和活化處理。
文檔編號C02F1/58GK1513772SQ0313340
公開日2004年7月21日 申請日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月4日
發(fā)明者馬騰才, 伊瓦洛夫斯基, 郭淑紅, 范松華, 夫斯基 申請人:大連動靜科技有限公司