CN101066791A - 三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，该装置包括三相交流高压电源1、水冷玻璃反应釜3、3个刀形金属电极5、绝缘盖4构成、雾化喷嘴6等。3个电极5分别与三相交流等离子体电源的3条相线连接，污水源8提供的污水和载气源9提供的气体通过雾化喷嘴6形成气液混合物喷射进入水冷玻璃反应釜3，气液混合物驱动电极之间的最小距离的高压击穿电弧快速沿着电极表面向下游滑动并在电极表面形成脉冲式滑动弧放电10，从而产生包含O、·OH、H2O2、HO2 ·、H等活性粒子、紫外线及其他成分的三相交流滑动弧非平衡等离子体，污水中的有机污染物在活性粒子氧化、紫外线光解等作用下降解为小分子有机物，甚至直接转化为二氧化碳和水等。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，属于环境技术和水处理领域。
背景技术
与等离子体技术在废气处理领域的应用相比较来说，非平衡等离子(或非热等离子体)于水处理起步较晚，由于其具有独特优势和较好的污染物去除效率，呈现出良好的应用前景，逐渐成为研究热点。非平衡等离子体的产生方式有辉光放电、电晕放电、脉冲放电、介质阻挡放电和非热电弧放电等。1902年AyrtonH.发表了大气中碳电极自由非热电弧的电压—电流特性，并列出了这种自由非热电弧的参考范围；1988年Lesueur H.和Czernichowski A.等提出了用气流驱动和冷却电弧的滑动弧放电装置产生大气压非热电弧等离子体(法国专利2639172)；后来，法国、美国、俄罗斯、波兰等国外研究人员也开展了滑动弧放电的研究，研究不仅包含滑动弧放电等离子体的物理理论分析，而且还把其应用于气流污染物的控制、制取合成气、有机溶剂净化等领域，如Fridman A.等分析了滑动弧放电中平衡态和非平衡态(Fridman A.，et al.J.Prog.Energy andComb.Sci.1999，25：211-231.)；Czernichowski A.等利用氢气H2作为还原气体催化分解SO2，研究表明67％SO2转化为单质硫，利用滑动弧放电等离子体去除甲醛、甲苯和庚烷等挥发性有机污染的研究，庚烷的最大去除率可达到100％(Czernichowski A.，et al.Chemtech.1996，26(4)：45-49.)；Krawczyk K.等报道了利用滑动弧放电处理含CCl4的废气，CCl4的降解率达到100％(Krawczyk K.，et al.Plasma Chem.Plasma Process.2003，24(2)：155-167.)；Moussa D.等人把与电源相连的两个电极安装在有机溶剂正上方，把形成的单相交流滑动弧放电产生的活性粒子打入液体中，氧化分解有机物(Moussa D.，et al.J.Hazard.Mater.B.2003，102：189-200.)。国内，滑动弧放电的研究处于起步阶段，在滑动弧放电物理特性方面有一定的研究，如林烈等较早开发了磁驱动滑动弧放电大气压非平衡等离子体(中国专利97111936.8)，研究主要集中在直流纯气流驱动的滑动弧放电物理特性方面；夏维东等开展了直流两电极磁驱动滑移弧的放电特性研究(李磊，夏维东，等.核技术.2004，27(5)：350-353.)；但在污染物的控制方面研究甚少，主要是杜长明等开展单相交流滑动弧放电的研究，并把它应用于脱除废气中多环芳烃、碳黑颗粒等(杜长明，等.中国电机工程学报.2006，26(1)：77-81.)，研究表明单相交流滑动弧放电具有放电区域小、处理能力小等不足之处。迄今为止，回顾国内外文献和资料，尚无三相交流滑动弧非平衡等离子体处理污水的研究或报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低、放电区域大、处理能力强的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置。
本发明的目的是这样实现的：
一种三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，包括：三相交流高压电源1、等离子体反应器主体、喷雾系统等。等离子体反应器主体由水冷玻璃反应釜3、3个刀形金属电极5和绝缘盖4构成，电极通过绝缘支柱2固定在绝缘盖内，以及通过绝缘支柱内的预先安装的金属导体与电源线相连；喷雾系统由雾化喷嘴6、水泵7、污水源8和载气源9构成。
所述的三相交流高压电源1，为具有升压和限流功能的变压器，输出的电压控制在5-10kV范围内。
所述的3个刀形金属电极5按相差120度排列，相邻两电极之间的最小距离在1-3mm范围内；制作电极的材料可选用钨、铝和不锈钢等；电极的厚度为1-2mm，长50-100mm，宽20-35mm，具体尺寸根据非平衡等离子体产生装置功率的大小来确定。
所述的水冷玻璃反应釜3采用双套筒形式，包括排水口11、冷却水入口12冷却水出口13及排气口14，其具体的尺寸根据电极5的尺寸大小来确定。
所述的绝缘盖4和绝缘支柱2采用聚四氟乙烯棒或尼龙棒等绝缘材料制作，其具体的尺寸根据电极5和水冷玻璃反应釜3的尺寸大小来确定。
所述的雾化喷嘴6的喷口直径为0.5-2mm。
所述的污水源8，可以是化工反应、染料、印染、发酵、制药、造纸等行业产生的废水，流量控制在1-6L/h范围内。
所述的载气源9的气体为空气或氧气，流量控制在200-1000L/h范围内。
非平衡等离子体污污水处理方法是：
1)首先打开冷却水装置提供冷却水；
2)打开污水源8，利用系统中的水泵和流量计调节控制污水流量，打开载气源9，利用系统中流量计调节控制气流量，污水和载气流通过雾化喷嘴6产生气液混合物流体；
3)接通电源，调节三相交流高压电源1的高压端输出电压，利用电极间的电位差在电极之间最小距离处形成击穿放电电弧，3个放电电弧之间的形成时间在相位上相差120度，3个击穿放电电弧在气液流的驱动下，快速沿着电极表面向下游滑动，并在电弧达到一定长度后熄灭，与此同时，电弧又在电极间的最小距离处点燃，并重复上述过程，形成脉冲式滑动弧放电10，从而产生包含O、·OH、H2O2、HO2 ·、H等活性粒子、紫外线及其他成分的三相交流滑动弧非平衡等离子体，污水中的有机污染物在活性粒子氧化、紫外线光解等作用下降解为小分子有机物，甚至直接转化为二氧化碳和水等。
本发明所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水污水处理方法及装置具有以下特点：
1)气液滑动弧放电过程中生成大量活性粒子(·OH、O、HO2 ·、H2O2和H3O+等)和紫外线。
高能粒子轰击H2O和O2生成·OH和O：
H2O+e-→H+·OH+e-
e-+H2O→2e-+O+H·+H+
O2+e-→2O+e-
O2+H·→HO2 ·
·OH也可由H2O与O碰撞产生：
H2O+O→·OH+·OH
H2O+e-→H2O++2e-
H2O2产生整体来看可以表达为：
2H2O→H2O2+H2
水发生电离反应，生成水合氢离子H3O+：
H2O+e-→H2O++2e-
H2O++H2O→H3O++OH*
然后H3O+与水很快反应，生成簇离子：
H3O++2H2O→H5O2 ++H2O
H+·(n-1)H2O+2H2O→H+·nH2O+H2O
当空气作为载气，激发态氮会形成NO·氧化性粒子：
N2 *+O2→2NO·
2)污水雾化成气雾形态，增大了液滴表面污染物的浓度，不同表面张力常数液体混合，表面张力常数小的有浓缩到表面的趋势；小直径液滴加强了这种过程，污染物浓缩在放电区域内，增大了接触活性粒子的几率。
3)增强了液滴表面的电场，高介电常数的水(ε＝81)提高了表层的电场强度，与单一介质相比电子离子雪崩将发生在液滴表面。
4)水气接触表面积的增大，提高了活性粒子和污染物的传质因子，有助于污水中污染物的降解。
本发明所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体装置可以应用于环境工程中的污水处理，如降解化工反应、染料、印染、发酵、制药等行业产生的有机废水，也可用于水体杀菌。
附图说明
附图为本发明的结构示意图。
图中：1三相交流高压电源，2绝缘支柱，3水冷玻璃反应釜，4绝缘盖，5电极，6雾化喷嘴，7水泵，8污水源，9载气源，10滑动弧放电，11排水口，12冷却水入口，13冷却水出口，14排气口。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
参考附图，3个电极5分别与三相交流等离子体电源的3条相线连接，污水源8提供的污水和载气源9提供的气体通过雾化喷嘴6形成气液混合物喷射进入水冷玻璃反应釜3，气液混合物经电极之间的最小距离的起弧端向水冷玻璃反应釜3的排水口端流动。
本实施例中，三相交流高压电源1的输出电压控制在5kV；3个电极均采用金属材料不锈钢制作，相邻两电极之间的最小距离为2mm，电极厚2mm，长100mm，宽30mm；水冷玻璃反应釜3直径100mm，体积2L；绝缘支柱2和绝缘盖4采用聚四氟乙烯棒绝缘材料制作，绝缘盖4直径100mm，高50mm；载气源9的气体为空气，流量控制在600L/h；污水源8为苯酚、4-氯酚模拟废水，体积1L。实验条件和测试数据及结果如表1所示。
表1
| 污染物 | 污水流量(L/h) | 初始浓度(mg/L) | 处理时间(min) | 最终浓度(mg/L) | 去除率(％) |
| 苯酚 | 2 | 200 | 30 | 17 | 91.5 |
| 苯酚 | 2 | 400 | 30 | 79 | 80 |
| 4-氯酚 | 2 | 200 | 30 | 25 | 87.5 |
| 4-氯酚 | 2 | 400 | 30 | 75 | 81 |
实施例2
本实施例的装置同实施例1，其区别仅在于：三相交流高压电源1的输出电压控制在10kV；载气源9的气体分别选用空气和氧气，流量控制在800L/h；污水源8为偶氮酸性橙7模拟印染废水。实验条件和测试数据及结果如表2所示。
表2
| 污染物 | 载气类型 | 污水流量(L/h) | 初始浓度(mg/L) | 处理时间(min) | 最终浓度(mg/L) | 去除率(％) |
| 酸性橙7 | 空气 | 2.4 | 50 | 25 | 5 | 90 |
| 酸性橙7 | 氧气 | 2.4 | 50 | 25 | 1 | 98 |
| 酸性橙7 | 空气 | 2.4 | 100 | 25 | 24 | 76 |
| 酸性橙7 | 氧气 | 2.4 | 100 | 25 | 15 | 85 |
| 酸性橙7 | 空气 | 2.4 | 200 | 25 | 56 | 72 |
| 酸性橙7 | 氧气 | 2.4 | 200 | 25 | 40 | 80 |
Claims (8)
1.一种三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，其特征是包括：三相交流高压电源1、等离子体反应器主体、喷雾系统等。等离子体反应器主体由水冷玻璃反应釜3、3个刀形金属电极5和绝缘盖4构成，电极通过绝缘支柱2固定在绝缘盖内，以及通过绝缘支柱内的预先安装的金属导体与电源线相连；喷雾系统由雾化喷嘴6、水泵7、污水源8和载气源9构成。
2.根据权利要求1所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，其特征在于：所述的三相交流高压电源1，为具有升压和限流功能的变压器，输出的电压控制在5-10kV范围内。
3.根据权利要求1所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，其特征在于：所述的3个刀形金属电极5按相差120度排列，相邻两电极之间的最小距离在1-3mm范围内；制作电极的材料可选用钨、铝和不锈钢等；电极的厚度为1-2mm，长50-100mm，宽20-35mm，具体尺寸根据非平衡等离子体产生装置功率的大小来确定。
4.根据权利要求1和2所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，其特征在于：所述的水冷玻璃反应釜3采用双套筒形式，包括排水口11、冷却水入口12冷却水出口13及排气口14，其具体的尺寸根据电极5的尺寸大小来确定。
5.根据权利要求1、2和3所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，其特征在于：所述的绝缘盖4和绝缘支柱2采用聚四氟乙烯棒或尼龙棒等绝缘材料制作，其具体的尺寸根据电极5和水冷玻璃反应釜3的尺寸大小来确定。
6.根据权利要求1所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，其特征在于：所述的雾化喷嘴6的喷口直径为0.5-2mm。
7.根据权利要求1所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，其特征在于：所述的污水源8，可以是化工反应、染料、印染、发酵、制药、造纸等行业产生的废水，流量控制在1-6L/h范围内。
8.根据权利要求1所述的三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置，其特征在于：所述的载气源9的气体为空气或氧气，流量控制在200-1000L/h范围内。
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