CN101863536A - 磁驱动螺旋滑动弧非平衡等离子体废水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境技术中的水处理装置，旨在提供一种磁驱动螺旋滑动弧非平衡等离子体废水处理装置。该装置包括由石英玻璃罩、绝缘盖和两个电极组成的等离子反应器，两个电极与高压直流电源相连；所述石英玻璃罩呈圆柱状，其上端与绝缘盖相接，其下端封闭并设置一出口；两个电极分别为中心电极和螺旋外电极，均由绝缘盖固定并向下延展于石英玻璃罩的内部，中心电极保持直线形垂直向下，而螺旋外电极呈渐开螺旋线形向下延展；装置还有一个喷雾系统，石英玻璃罩外部围绕设置一电磁铁。该装置小型、便携，操作简单，且制作成本低廉；电弧有足够的发展时间可以拉长非平衡区使反应充分。降解最终产物是二氧化碳和水等单纯的无机物不会产生二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及环境技术中的水处理装置，特别涉及一种磁驱动螺旋滑动弧非平衡等离子体废水处理装置。
背景技术
由于非平衡等离子体可以产生高能电子和具有强氧化性的自由基，在控制污染物排放和材料加工领域越来越受到国内外学者的关注。非平衡等离子的产生方式有辉光放电、脉冲放电、介质阻挡放电和滑动电弧放电等。传统的热平衡等离子体与非平衡等离子体不能同时满足化学反应所需能量及高度非平衡性，即同时拥有高度非平衡性及较高的电子温度。滑动弧放电等离子体是近几年出现的一项新技术，相比于热等离子体，由于滑动弧放电过程的主要能量(大于75-80％)消耗在非平衡区域，整体仍显示显著的低温等离子体特性，所以体现出良好的能量利用率。这种方法可以在大气压或者更高压力下产生非平衡等离子且不需要对电流进行抑制，从而提高整个系统的能量输入，提高了刺激化学反应的能力。滑动弧由于具有这些优点已经在污染物控制排放技术方面得到了各国学者的研究和发展。最初，Czemichowski A.等人首先尝试将滑动弧等离子体(法国专利2639172)应用于处理工业废气和垃圾焚烧尾气中，以消解有机污染物(二甲苯、甲醇等)、硫化氢和二氧化硫等。近些年国外学者进行将滑动弧等离子体技术用于处理高浓度有机污水方面的研究，如Abdelmalek F利用滑动弧液相处理装置处理酸性黄4GL模拟有机废水，处理后染料COD降解率达92.5％(Abdelmalek F.，et al.WaterReseareh.2004，38(9)：2339-2347)；Moussas D等人把与电源相连的两个电极安装在有机溶剂上方，使形成的单相滑动弧放电产生的活性粒子被气流吹入待处理的液体中，以氧化分解有机物(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研究，如中科院林列等人开发的磁驱动滑动弧大气压非平衡等离子体(中国专利9711193936.8)，研究内容集中在滑动弧物理特性方面；杜长明等开展了滑动弧处理有机废气如多环芳烃、炭黑颗粒等，并在气相滑动弧的基础上将喷嘴改用气液雾化喷嘴，根据电源及电极结构的不同研制出一种单相交流电电有机污水处理装置(中国专利申请200410015948.0)和三相交流滑动弧非平衡等离子体污水处理装置(中国专利申请200410028667.2)。但是，这些的滑动弧等离子发生装置均具有以下几个缺陷：1、污染物在反应区中停留时间短；2、气流与电弧接触面积不够大；3、能耗较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种磁驱动螺旋滑动弧非平衡等离子体废水处理装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的解决方案是：
提供一种磁驱动螺旋滑动弧非平衡等离子体废水处理装置，包括由石英玻璃罩、绝缘盖和两个电极组成的等离子反应器，两个电极与高压直流电源相连；所述石英玻璃罩呈圆柱状，其上端与绝缘盖相接，其下端封闭并设置一出口；两个电极分别为中心电极和螺旋外电极，均由绝缘盖固定并向下延展于石英玻璃罩的内部，且在靠近电极根部的位置具有相距最窄处；自相距最窄处开始，中心电极保持直线形垂直向下，而螺旋外电极呈渐开螺旋线形向下延展；所述废水处理装置还有一个喷雾系统，包括一个穿透且固定于绝缘盖上的雾化喷嘴，污水源经水泵接于雾化喷嘴，载气源也接于雾化喷嘴；所述石英玻璃罩外部围绕设置一电磁铁。
所述高压直流电源具有升压和限流功能，输入380V三相高压交流电输出电压控制在0～10KV范围内。
作为一种改进，所述中心电极和螺旋外电极是直径为4mm的铜丝或者不锈钢丝的电极，在石英玻璃罩内向下延展的距离为150～250mm，两电极相距最窄处为1～3.5mm；并且螺旋外电极和中心电极的距离也缓慢增大两电极末端距离为50～60mm，具体参数要根据等离子发生装置的功率、气液混合比和处理对象的性质综合考虑确定。其中螺旋外电极自相距最窄处开始阶段的螺距为25～35mm(30mm左右)以便于电弧顺利滑过。
作为一种改进，所述中心电极和螺旋外电极的根部到相距最窄处的过渡段，与其根部直线段之间的夹角大于120度。
作为一种改进，所述的石英玻璃罩的内径为140mm，略大于螺旋外电极形成的最大螺旋的尺寸。
作为一种改进，所述雾化喷嘴的直径为0.5～2mm。
作为一种改进，所述绝缘盖是聚四氟乙烯制成的绝缘盖。其尺寸根据两电极的间距以及石英玻璃罩的尺寸确定。
作为一种改进，所述电磁铁是用1mm粗绝缘漆包铜丝绕成，其线圈半径略大于石英玻璃罩的外径。所用电源为220V交流电经交直流转换器转换成10～20V的直流电。
作为一种改进，所述中心电极和或螺旋外电极与高压直流电源之间设置分压电阻。
本发明中，所述载气源的气体可以选择空气、氧气或氩气，流量控制在200～1000L/h范围内。所述污水源可以选择化工反应、印染、发酵、制药、造纸等行业产生的污水，流量控制在1～10L/h范围内。
本发明的有益效果在于：
能提高被处理的气体与电弧等离子的接触面积，增加气流与等离子弧筑的扰动，提高局部反应速率；使气体全部经过反应区，并尽量增加气流在反应区中的停留时间，以使被处理的气体充分反应降解，这样就可以在同等条件(进气条件等)下减少处理次数或者增加单位时间的处理量，由此在提高降解率的同时降低能耗。
本发明的装置还有如下技术特点：
小型、便携，操作简单，且制作成本低廉；
未反应的气体与等离子反应区的接触面积有足够大的接触面积，使气体一次全部通过反应区，而且电弧有足够的发展时间可以拉长非平衡区使反应充分。
在消除污染物中产生的过氧化氢和臭氧等一定时间后会自行分解，而降解最终产物是二氧化碳和水等单纯的无机物不会产生二次污染。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1电磁铁，2高压直流电源，3石英玻璃罩，4绝缘盖，5中心电极，6螺旋外电极，7雾化喷嘴，8水泵，9载气源，10污水源，11等离子流，12出口，13分压电阻。
具体实施方式
下面参考附图和实例对本发明作进一步说明。
图1中是本发明的磁驱动螺旋滑动弧非平衡等离子体废水处理装置。
该装置包括由石英玻璃罩3、绝缘盖4和两个电极组成的等离子反应器，两个电极与高压直流电源2相连；所述石英玻璃罩3呈圆柱状，其上端与绝缘盖4相接，其下端封闭并设置一出口12；两个电极分别为中心电极5和螺旋外电极6，均由绝缘盖4固定并向下延展于石英玻璃罩3的内部，且在靠近电极根部的位置具有相距最窄处；自相距最窄处开始，中心电极5保持直线形垂直向下，而螺旋外电极6呈渐开螺旋线形向下延展；所述废水处理装置还有一个喷雾系统，包括一个穿透且固定于绝缘盖上的雾化喷嘴7，污水源10经水泵8接于雾化喷嘴7，载气源9也接于雾化喷嘴7；雾化喷嘴7的直径为0.5～2mm。
所述石英玻璃罩3外部围绕设置一电磁铁1，用粗1mm的漆包铜丝绕成，其电源为10V直流电源；中心电极5和螺旋外电极6的制作材料为4mm的不锈钢丝，两电极深入石英玻璃罩3内的长度200mm，两电极相距最窄处为3mm，两电极末端的最大间距为55mm，高压直流电源2输出电压控制在10kV。中心电极5和螺旋外电极6的根部到相距最窄处的过渡段，与其根部直线段之间的夹角大于120度。石英玻璃罩3的内径为140mm，略大于螺旋外电极6形成的最大螺旋的尺寸。
本发明所述废水处理装置的工作原理是：
(1)首先接通电磁铁1的电源开关，产生稳定磁场；
(2)打开污水源10，利用系统中的水泵8和流量计调节污水流量，打开载气源9，利用系统中的质量流量计调节气流量，污水和载气流通过雾化喷嘴7雾化产生向下的气液混合流体；
(3)接通高压直流电源2，利用电极间的电位差，在两电极之间相距最窄处击穿气体产生放电电弧，电弧一方面在气流的推动下向下游滑动，另一方面在稳定磁场作用下由于洛伦兹力的作用会产生绕中心电极的高速旋转运动，并且电弧逐渐被拉长，并在达到一定距离后熄灭；与此同时，两电极相距最窄处又会产生新的电弧，再次重复上述过程。在此过程中形成的非平衡等离子体包含大量过氧化氢、臭氧、羟基、氧自由基等活性粒子，污水在这些活性粒子的作用下发生氧化降解。
(4)经降解产生的气体产物由出口12逸出，而处理后的液体则由出口12流入污水源10，如此形成循环，经过足够时间处理后，污染物便可被脱除。由于污染物在反应器内停留时间以及与等离子流的接触面积大大增加，处理效率会大大增加。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种磁驱动螺旋滑动弧非平衡等离子体废水处理装置，包括由石英玻璃罩、绝缘盖和两个电极组成的等离子反应器，两个电极与高压直流电源相连；其特征在于，所述石英玻璃罩呈圆柱状，其上端与绝缘盖相接，其下端封闭并设置一出口；两个电极分别为中心电极和螺旋外电极，均由绝缘盖固定并向下延展于石英玻璃罩的内部，且在靠近电极根部的位置具有相距最窄处；自相距最窄处开始，中心电极保持直线形垂直向下，而螺旋外电极呈渐开螺旋线形向下延展；所述废水处理装置还有一个喷雾系统，包括一个穿透且固定于绝缘盖上的雾化喷嘴，污水源经水泵接于雾化喷嘴，载气源也接于雾化喷嘴；所述石英玻璃罩外部围绕设置一电磁铁。
2.根据权利要求1所述的废水处理装置，其特征在于，所述中心电极和螺旋外电极是直径为4mm的铜丝或者不锈钢丝的电极，在石英玻璃罩内向下延展的距离为150～250mm，两电极相距最窄处为1～3.5mm，两电极末端距离为50～60mm，其中螺旋外电极自相距最窄处开始阶段的螺距为25～35mm。
3.根据权利要求1或2所述的废水处理装置，其特征在于，所述中心电极和螺旋外电极的根部到相距最窄处的过渡段，与其根部直线段之间的夹角大于120度。
4.根据权利要求1或2所述的废水处理装置，其特征在于，所述的石英玻璃罩的内径为140mm，略大于螺旋外电极形成的最大螺旋的尺寸。
5.根据权利要求1或2所述的废水处理装置，其特征在于，所述雾化喷嘴的直径为0.5～2mm。
6.根据权利要求1或2所述的废水处理装置，其特征在于，所述绝缘盖是聚四氟乙烯制成的绝缘盖。
7.根据权利要求1或2所述的废水处理装置，其特征在于，所述电磁铁是用1mm粗绝缘漆包铜丝绕成，其线圈半径略大于石英玻璃罩的外径。
8.根据权利要求1或2所述的废水处理装置，其特征在于，所述中心电极和或螺旋外电极与高压直流电源之间设置分压电阻。
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