專(zhuān)利名稱(chēng)：雙極性脈沖放電水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于低溫等離子體的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水的放電低溫等離子體高級(jí)氧化處理方法。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)于水中難生物降解的有機(jī)污染物質(zhì)和持久性有機(jī)污染物質(zhì)，常規(guī)的處理方法如物理化學(xué)方法處理效率低。由于化合物性質(zhì)穩(wěn)定，有的甚至限制微生物的生長(zhǎng)，因此生物方法也很難發(fā)揮作用。
新發(fā)展起來(lái)的高級(jí)氧化技術(shù)如芬頓(Fenton)試劑方法雖然處理效率高，但為創(chuàng)造芬頓反應(yīng)而提供的試劑非常昂貴。臭氧及其組合臭氧氧化方法，因臭氧發(fā)生器價(jià)格昂貴，且臭氧的發(fā)生效率低，能耗較大，放電過(guò)程中能量沒(méi)有被充分利用。光催化方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，但其光量子效率低，對(duì)光波的要求高。
電子束方法產(chǎn)生電子束的設(shè)備體積龐大，電子束的產(chǎn)生和加速設(shè)備復(fù)雜，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用高。
氣體放電低溫等離子體化學(xué)方法水處理是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)。常用的放電等離子體方法水處理反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)有溶液中的點(diǎn)(針)—板、線(xiàn)—板結(jié)構(gòu)形式及液面上放電形式。點(diǎn)(針)—板型電極結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器中作為高壓電極的點(diǎn)(針)存在嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，文獻(xiàn)《Physics of Plasma》2001，8(5)“Pulse electrical discharges in water and their applications”報(bào)道對(duì)于針尖半徑為R～0.05mm的針電極，平均功率為100W時(shí)，電極的平均壽命僅為10～20分鐘，同時(shí)單針(或點(diǎn))在反應(yīng)器中占有的體積小，受處理液體體積少。液面上放電形式的反應(yīng)器存在著短壽命自由基透過(guò)氣層向液面擴(kuò)散遷移以及活性物種由液面表層向深層的傳質(zhì)問(wèn)題，從而限制了受處理的水僅為表層液體，使得放電水處理方法的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。
放電過(guò)程中的活性物種(如高能電子，OH等自由基及臭氧，過(guò)氧化氫等)的產(chǎn)生量對(duì)于水處理效果有重要的影響。高能電子直接影響這些物種的產(chǎn)生效率。和直流相比，單極性脈沖供電利于電子的加速，而不加速離子等重粒子，處理效果有一定的提高。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文(2001，3)“高壓放電等離子體水處理研究”報(bào)道了電極間距為30mm，放電單極性脈沖電壓25KV，處理30min后，靛藍(lán)二磺酸鈉溶液的脫色率達(dá)到80％，處理效果不理想。
電極上覆蓋有絕緣介質(zhì)的DBD放電用于氣態(tài)污染物質(zhì)的治理如降解VOCs、產(chǎn)生臭氧等方面研究較多。用單極性脈沖電源對(duì)該形式的放電反應(yīng)器供電，由于介質(zhì)的存在，介質(zhì)上積累的電荷難以泄放掉而形成拖尾，不利于放電的處理。此現(xiàn)象在用于液態(tài)污染物質(zhì)的處理時(shí)更為明顯。
雙極性脈沖用于臭氧的發(fā)生，使得放電兼有電暈放電和DBD放電的優(yōu)點(diǎn)，可以提高放電的中的微放電的強(qiáng)度，增加臭氧的產(chǎn)量，但是將雙極性脈沖電源用于在線(xiàn)氣液混合體放電水處理，還未見(jiàn)有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用雙極性脈沖電源向覆蓋有絕緣介質(zhì)的電極供電，增強(qiáng)電極間的電場(chǎng)，形成更多的微放電，產(chǎn)生更多的活性物種，實(shí)現(xiàn)更高效的水體殺菌，廢水的脫色特別是催化降解難生物降解及持久性有機(jī)污染物質(zhì)(POPs)的方法，解決現(xiàn)有的放電等離子體水處理效率低，作用不明顯的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在利用雙極性脈沖電源對(duì)電極上覆蓋有絕緣介質(zhì)的板—板、點(diǎn)(針)—板、線(xiàn)—板、線(xiàn)(柱)—筒結(jié)構(gòu)形式的放電反應(yīng)器供電。
該方法依據(jù)電暈放電、流注放電和介質(zhì)阻擋放電的原理，設(shè)計(jì)的放電反應(yīng)處理系統(tǒng)由雙極性脈沖電源和有介質(zhì)阻擋的放電電極系統(tǒng)包括高壓放電電極以及低壓地電極構(gòu)成。反應(yīng)器的高壓電極和/或地電極表面覆蓋玻璃、陶瓷等絕緣介質(zhì)?？諝狻⒀鯕?、氮?dú)狻鍤庵械囊环N或幾種經(jīng)氣體分布板、微孔曝氣頭、曝氣軟管等氣體分散設(shè)備，分散成細(xì)小氣泡后散布在整個(gè)電極間隙的被處理的水和廢水中，也可以是氣體和被處理的水經(jīng)氣液混合設(shè)備如氣液混合泵等形成氣液混合體直接進(jìn)入到電極間隙。氣液混合體在外電場(chǎng)的作用下放電，產(chǎn)生低溫等離子體。放電等離子體通道中富含有強(qiáng)氧化性的活性物種如羥基自由基、臭氧、過(guò)氧化氫等，以及水合電子(eaq-)；同時(shí)，放電通道發(fā)展過(guò)程中發(fā)射出具有催化作用的紫外光、沖擊波等。這些物質(zhì)和效應(yīng)及電場(chǎng)直接作用于被處理的水，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)的氣液混合體放電水處理，提高了放電反應(yīng)器的處理效率。
同時(shí)，供電電源還可以是交流、中頻、高頻的高壓電源，還可以在放電反應(yīng)器的裸露于水中的電極和/或絕緣介質(zhì)表面上負(fù)載具有光催化活性和/或電催化活性的催化劑薄膜，充分利用電極和電場(chǎng)和放電的作用，以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)水處理的效果。
視實(shí)際水量及處理要求，上述的多個(gè)反應(yīng)器可以多級(jí)串聯(lián)或并聯(lián)操作，達(dá)到實(shí)際需要的目的。
本發(fā)明的效果和益處是1、應(yīng)用雙極性脈沖電源，結(jié)合氣液混合環(huán)境的創(chuàng)造，提高了放電的強(qiáng)度，從而大大提高了放電等離子體中活性物種的產(chǎn)生效率，增強(qiáng)了水處理效果。
2、電極上的絕緣介質(zhì)，增強(qiáng)了電極間電場(chǎng)，同時(shí)保護(hù)高壓電極，延長(zhǎng)了電極的壽命。
3、氣液混合體的放電，使得放電過(guò)程中產(chǎn)生的活性物種和效應(yīng)及電場(chǎng)直接作用于被處理的水，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)放電處理，提高了放電反應(yīng)器的處理效率，實(shí)現(xiàn)更高效的水體殺菌，廢水的脫色特別是催化降解難生物降解及持久性有機(jī)污染物質(zhì)(POPs)的目的。
4、電極材料上負(fù)載的催化劑等活性物質(zhì)，充分利用了電場(chǎng)和放電產(chǎn)生的紫外光等，使得放電作用和催化作用加以集成協(xié)同，提高了水處理的效果。


圖1是雙極性脈沖放電水處理方法的供電、放電處理系統(tǒng)圖。
圖中(1)反應(yīng)器殼體；(2)金屬網(wǎng)筒；(3)高壓電極；(4)玻璃絕緣介質(zhì)；(5)空氣入口；(6)曝氣頭；(7)液體入口閥；(8)排水口閥；(9)排氣口；(10)雙極性脈沖電源。
圖2是本發(fā)明方法的實(shí)例反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖。
圖中(1)反應(yīng)器殼體；(2)金屬網(wǎng)筒；(3)高壓電極；(4)玻璃絕緣介質(zhì)；(5)空氣入口；(6)曝氣頭；(7)液體入口閥；(8)排水口閥；(9)排氣口；(11)固定板；(12)角鋼骨架；(13)高壓引線(xiàn)入口；(14)上蓋板；(15)限位塊；(16)螺栓。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，詳細(xì)敘述本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
為了更好的加速放電過(guò)程中的自由電子，而不加速離子，以產(chǎn)生更多的活性物種，供電電源采用雙極性脈沖電源(10)，其電源參數(shù)為峰峰值電壓1～200千伏，脈沖上升時(shí)間30～300納秒，脈沖重復(fù)頻率1～2000赫茲。
反應(yīng)器采用柱—筒狀電極結(jié)構(gòu)的圓筒形反應(yīng)器，高壓電極(3)的表面與氣液混合體接觸部分完全被玻璃絕緣介質(zhì)(4)均勻覆蓋，使金屬高壓電極(3)和氣液混合體隔離開(kāi)，同時(shí)保證絕緣介質(zhì)無(wú)明顯的棱角和突起，避免強(qiáng)烈的局部放電的發(fā)生。絕緣介質(zhì)的存在，增強(qiáng)了電極間的電場(chǎng)，利于氣泡中的電子的加速，提高了水處理的效率。
圖2所示反應(yīng)器殼體(1)為圓筒形有機(jī)玻璃筒，有機(jī)玻璃筒體(1)高1000mm，內(nèi)徑70mm，內(nèi)壁緊襯金屬網(wǎng)筒(2)作地電極，高壓電極(3)為金屬鐵棒制成，通過(guò)高壓引線(xiàn)經(jīng)高壓引線(xiàn)入口(13)和雙極性脈沖電源(10)的輸出端相連。金屬鐵棒外緊貼一層絕緣玻璃介質(zhì)(4)，絕緣介質(zhì)(4)和金屬高壓電極(3)組成的復(fù)合體通過(guò)反應(yīng)器的上蓋板(14)及下部的限位塊(15)限制定位，確保和有機(jī)玻璃筒(1)及金屬網(wǎng)筒(2)同心放置。電極間隙的距離對(duì)于實(shí)際的處理效果有較大影響，其大小視供電電源的特性和電極形狀確定。
空氣從反應(yīng)器的下部由入口(5)經(jīng)曝氣頭(6)分散成細(xì)小的微氣泡后，進(jìn)入到電極間隙的放電反應(yīng)空間，分散到被處理的水中，形成氣液混合體，放電后的氣體經(jīng)排氣口(9)排出；液體由入口閥(7)進(jìn)入反應(yīng)器，被處理后經(jīng)排水閥(8)流出。氣體的流量對(duì)于實(shí)驗(yàn)的效果有一定的影響，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器，該流量有一優(yōu)化值，對(duì)于本反應(yīng)器，筒體中液體為650ml時(shí)，優(yōu)化氣量為0.75m3/h。
曝氣頭(6)放置于反應(yīng)器筒體(1)的固定板(11)和角鋼骨架(12)之間，并用螺栓(16)栓牢固定。
圖(1)、(2)所示的供電系統(tǒng)和反應(yīng)器的實(shí)際效果是供電電源為雙極性脈沖電源峰峰值電壓1～200千伏，脈沖上升時(shí)間30～300納秒，脈沖重復(fù)頻率1～2000赫茲。實(shí)驗(yàn)中采用空氣為氣源，氣體的流量控制在優(yōu)化氣量0.75m3/h。供電電壓控制在低于火花電壓的條件下進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)中均采用Vpp＝19千伏，反應(yīng)器電極間距為5mm。對(duì)于吸光度(Abs)為1.406，電導(dǎo)率220μs/cm，pH7.27的650ml靛藍(lán)二磺酸鈉溶液，經(jīng)過(guò)放電反應(yīng)器的處理2.5分鐘，溶液脫色效率可達(dá)到80.37％，處理5分鐘，脫色率達(dá)到98.72％，同時(shí)靛藍(lán)二磺酸鈉廢水的電導(dǎo)率上升，pH下降，脫色效果明顯。
權(quán)利要求
1.一種雙極性脈沖放電水處理方法，是利用雙極性脈沖電源向覆蓋有絕緣介質(zhì)的電極供電，增強(qiáng)電極間氣液混合體上的電場(chǎng)，形成更多的微放電，其特征在于a)供電電源采用雙極性脈沖高壓電源；b)放電反應(yīng)器的高壓電極和/或低壓電極被玻璃、陶瓷等絕緣介質(zhì)覆蓋；c)氣液混合體在外電場(chǎng)的作用下放電；其中所述氣體為空氣、氧氣、氮?dú)?、氬氣中的一種或幾種；氣體可以是經(jīng)氣體分布板、微孔曝氣頭、曝氣軟管等氣體分散設(shè)備，分散成細(xì)小氣泡后散布在整個(gè)電極間隙的被處理的水中，也可以是氣體和水經(jīng)過(guò)氣液混合設(shè)備形成氣液混合體直接進(jìn)入到電極間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極性脈沖放電水處理方法，其特征還在于供電電源還可以是交流、中頻、高頻的高壓電源；還可在絕緣介質(zhì)和/或與水直接接觸的電極表面負(fù)載一層具有催化活性的催化劑薄膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于低溫等離子體的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水的放電低溫等離子體高級(jí)氧化處理方法。本發(fā)明公開(kāi)了一種雙極性脈沖放電低溫等離子體在線(xiàn)水處理方法。其特征是利用雙極性脈沖高壓電源供電，放電電極被介質(zhì)覆蓋，電極間隙充滿(mǎn)了細(xì)小氣泡和被處理的水組成的氣液混合體。高強(qiáng)電場(chǎng)和氣液混合體放電產(chǎn)生的低溫等離子體直接作用于被處理的水。采用本發(fā)明公開(kāi)的供、放電系統(tǒng)，增強(qiáng)了電極間電場(chǎng)，保護(hù)高壓電極，延長(zhǎng)了電極的壽命。實(shí)現(xiàn)更高效的水體殺菌，廢水的脫色特別是催化降解難生物降解及持久性有機(jī)污染物質(zhì)(POPs)的目的。
文檔編號(hào)C02F1/48GK1440934SQ03111418
公開(kāi)日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2003年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月8日
發(fā)明者吳彥, 張若兵, 李 杰, 王寧會(huì) 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)