CN102603029A - 一种介质阻挡放电技术处理染料废水的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介质阻挡放电技术处理染料废水的装置及其方法，通过在金属负极板表面加工出均匀的凹槽，使染料废水在负极板表面能形成均匀液膜；金属圆柱紧贴介质阻挡的内壁形成套筒结构，通过调整套筒与负极板的距离，在负极板和高压极之间形成介质阻挡放电，利用放电过程中产生的O₃、·OH、H₂O₂、高能电子以及紫外光等对污染物进行降解；反应产生的未利用的臭氧以及其他的活性物质通过微孔曝气装置注入到容器中，使其进一步对染料废水中的有机物进行降解；另外，向反应容器中投加Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Co²⁺等金属离子或者MnO₂、FeOOH、TiO₂、活性炭等非均相催化剂来强化处理效果。

Description

一种介质阻挡放电技术处理染料废水的装置及其方法

技术领域

本发明涉及等温等离子体工程与环境工程领域中水处理技术，特别是涉及一种介质阻挡放电技术处理染料废水的装置及其方法。

背景技术

染料废水具有成分复杂、浓度高、色度深、盐含量高、可生化性差、pH变化大等特点，一直是工业废水处理的重点和难点。当前，染料朝着抗光解、抗氧化及抗生物降解等趋势发展，使得传统的染料废水处理技术已经难以实现对其进行达标排放处理。近年来，污水排放标准日趋严格，染料废水的处理已成为迫切需要解决的环境问题之一。

近年来，以产生自由基为主的高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes，AOPs)成为了染料废水研究领域的热点。高级氧化技术利用化学活性极强并无选择性的自由基(如·OH等)进攻或氧化有机物分子，使有机污染物开环、断键，从而转变成易降解的小分子物质，甚至直接矿化成CO₂和H₂O，从而达到氧化矿化有机物的目的。

低温等离子体(Non-thermal plasma，NTP)是一种新型的高级氧化技术，利用紫外光辐射、高能电子轰击作用、高活性的等离子体(如·OH，·HO₂，O^2-，H₂O₂，O₃等)等多因素的协同作用，集湿式氧化、超临界水氧化、光催化、电化学催化、紫外光降解、高温热解、臭氧氧化于一体的新型水处理技术，能有效去除各种废水中的难降解物质，具有工艺简单、降解速度快、无二次污染等诸多优点。

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是把固体绝缘介质覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里，利用介质阻挡层的放电间隙阻止电流流通，同时释放出等离子体。相比较其他放电形式，具有放电稳定、不易产生火花放电、活性粒子能量高等诸多优势，因此，具有更广泛的工业应用前景。

然而，介质阻挡放电技术处理染料废水在实际应用过程中也存在一些问题：①待处理的染料废水不能在介质表面形成比较均匀的液膜，容易导致局部放电，而且对触发放电电压有更高的要求；②介质阻挡放电过程中产生的一些化学物质(如H₂O₂和O₃等)，由于与染料废水接触时间较短，所以没有进行比较充分地的利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种介质阻挡放电技术处理染料废水的装置及其方法，能够形成均匀液膜、能充分地运用放电过程中产生的化学物质并能运用到工程实践中的低温等离子体废水处理装置，利用低温等离子体对染料废水中污染因子的综合处理能力，进行废水深度处理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种介质阻挡放电技术处理染料废水的装置，包括设有气体入口和气体出口的密闭容器、支架、负极板、以及与高压电源相连的金属圆柱电极，所述支架上安装有所述负极板；所述负极板表面加工有一序列均匀的凹槽；所述负极板一端安装有布水器，另一端安装有水收集器；所述负极板安装有布水器的一侧安装有高压极，负极板安装有水收集器的一侧安装有接地极；所述金属圆柱电极由介质阻挡材料包裹形成套筒结构，并悬挂在所述负极板的上方；所述套筒结构在形成均匀水膜的负极板和高压极之间形成介质阻挡放电。

所述水收集器的出口端与反应容器相连；所述反应容器底部设有微孔曝气装置；所述气体出口输出的气体通过管道与抽气泵送入所述微孔曝气装置；所述反应容器中的染料废水通过管道和蠕动泵送入所述布水器相连。

所述负极板采用耐腐蚀性和抗氧化性的金属材料制成，所述凹槽的宽度为0.2-2mm，深度为0.2-0.5mm。

所述介质阻挡材料为玻璃、氧化铝、聚四氟乙烯、硅橡胶，或上述物质进行掺杂改性的材料。

所述介质阻挡材料为圆筒形，厚度为0.5mm-5mm，一端开口，并通过聚四氟塞子密封；所述介质阻拦材料的内径比所述金属圆柱电极的直径大1mm；所述金属圆柱电极紧贴所述阻挡介质材料的内壁。

所述密闭容器采用绝缘耐腐蚀性材料制成。

所述反应容器内投有金属离子或者非均相催化剂，其中，金属离子为Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺或Co²⁺，非均相催化剂为MnO₂、FeOOH、TiO₂或活性炭。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种介质阻挡放电技术处理染料废水的方法，将反应容器中的染料废水用蠕动泵泵入到布水器并通入到负极板上，通过在负极板上下分别安装高压极和接地极，在形成均匀水膜的负极板和高压极之间形成介质阻挡放电，利用介质阻挡放电过程中产生的O₃、·OH、·HO₂、O^2-、H₂O₂、高能电子以及紫外光与负极板上的染料废水发生作用，对污染物进行降解；处理完的水再回流到反应容器中，并将反应产生的未利用的臭氧以及其他的活性物质注入到反应容器中，使其与废水充分接触、混合，进一步对染料废水中的有机物进行降解。

上述介质阻挡放电技术处理染料废水的方法还包括向所述反应容器中投加金属离子或者非均相催化剂进行强化处理的步骤，其中，金属离子为Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺或Co²⁺，非均相催化剂为MnO₂、FeOOH、TiO₂或活性炭。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明中介质阻挡放电反应直接在所需处理的废水中进行，介质阻挡放电过程中产生的紫外光可以有效地对废水中的污染物进行降解，同时，介质阻挡放电产生的臭氧等活性物质通过微孔曝气的方式进入废水中，并且与废水充分混合、接触，进一步对废水中的污染物进行降解。其中，介质阻挡放电在常温、常压下就可进行，反应条件温和，控制性较强；反应器设备及其操作比较简单；反应产生的高能电子、O₃、H₂O₂和活性物质(·OH、HO₂·、O^2-等)无选择地与水中的污染物反应，将其降解为二氧化碳、水和简单有机物。

附图说明

图1是本发明的处理染料废水装置示意图；

图2是本发明的负极板的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明涉及一种介质阻挡放电技术处理染料废水的方法，将反应容器中的染料废水用水泵泵入到布水器并通入到负极板上，通过在负极板上下分别安装高压极和接地极，在形成均匀水膜的负极板和高压极之间形成介质阻挡放电，利用介质阻挡放电过程中产生的O₃、·OH、·HO₂、O^2-、H₂O₂、高能电子以及紫外光与负极上的染料废水发生作用，对污染物进行降解；处理完的水再回流到反应容器中，并将反应产生的未利用的臭氧以及其他的活性物质注入到反应容器中，使其与废水充分接触、混合，进一步对染料废水中的有机物进行降解。

本发明还涉及一种介质阻挡放电技术处理染料废水的装置，如图1所示，包括介质阻挡材料1、金属圆柱电极2、高压电源3、气体出口4、空气泵5、水收集器6、反应容器7、微孔曝气装置8、蠕动泵9、支架10、布水器11、气体入口12、负极板13、密闭容器14；其中负极板13安装在支架10上并且安装在高压电极和接地极之间；金属圆柱电极2由介质阻挡材料1包裹形成套筒结构，通过一定的连接结构悬挂在负极板13的上方，通过调整套筒结构与负极板13的距离，使放电正好在形成的液膜上发生，对废水中的有机物进行降解；在密闭容器14内产生的未利用的臭氧以及其他的活性物质，通过密闭容器14右端设有的气体出口4，经由空气泵5和微孔曝气装置8注入到反应容器7，使其与废水充分接触、混合，进一步对染料废水中的有机物进行降解。

阻挡介质1包裹金属圆柱电极2形成套筒结构，通过一定的连接结构悬挂在负极板的上方；负极板表面加工出一序列均匀的小凹槽，小凹槽的宽度为0.4mm，深度为0.4mm，通过调节蠕动泵的流量，使染料废水能在负极板表面形成厚度均匀的液膜；高压极连接高频、高压电源，其电流频率为5.0-50.0kHz，电压峰值为10000V-50000V。

将反应容器中的染料废水用水泵泵入到布水器并通入到负极板上，通过在负极板上下分别安装高压极和接地极，在形成均匀水膜的负极板和高压极之间形成介质阻挡放电，利用介质阻挡放电过程中产生的O₃、·OH、·HO₂、O^2-、H₂O₂、高能电子以及紫外光与负极上流动的染料废水发生作用，对污染物进行降解；在密闭容器内产生的未利用的臭氧以及其他的活性物质，通过密闭容器右端设有的气体出口，经由空气泵和微孔曝气装置注入到反应容器，使其与废水充分接触、混合，进一步对染料废水中的有机物进行降解。

本发明所述的介质阻挡放电的负极板，如图2所示，采用耐腐蚀性和抗氧化性的金属材料制成，并且在负极板表面加工出一序列均匀的小凹槽，小凹槽的宽度为0.2-2mm，深度为0.2-0.5mm，通过调节蠕动泵的流量，使染料废水能在负极板表面形成0.2-1.0mm厚度的均匀液膜；根据废水的性质，在降解效果高的条件下，尽可能地提高蠕动泵的流量。

本发明采用金属圆柱电极，金属圆柱紧贴介质阻挡的内壁，由介质阻挡材料包裹形成套筒结构；通过一定的连接结构悬挂在负极板的上方，通过调整套筒与负极板的距离，使放电正好在形成的均匀液膜上发生，对废水中的有机物进行降解；金属圆柱电极与高频、高压电源相连，其电流频率为5.0-50.0kHz，电压峰值为10000V-50000V；金属圆柱电极的个数，可以根据实际的需要，设为单个或者多个。

本发明采用的介质阻挡材料包括玻璃、氧化铝、聚四氟乙烯、硅橡胶，还包括上述物质进行各种掺杂改性的材料；介质阻挡材料为圆筒形，厚度为0.5mm-5mm，只有一端开口，并通过聚四氟塞子密封；其内径比所用金属圆柱电极的直径大1mm，使金属圆柱电极能紧贴阻挡介质材料的内壁。

本发明所述的介质阻挡放电系统是置于绝缘耐腐蚀的密封容器中，制作密闭容器的材料包括有机玻璃、塑料以及附有耐腐蚀内衬的设别与构筑物，密闭容器的大小根据所用的等离子发生装置大小而确定。

本发明所述的介质阻挡放电系统所处的密闭设有气体进入口，根据实际的需要，所用的放电气体气体空气、氧气、氮气、稀有气体以及它们的混合气体。

反应产生的未利用的臭氧以及其他的活性物质通过微孔曝气装置注入到容器中，使其与废水充分接触、混合，进一步对染料废水中的有机物进行降解；另外，还可以向反应容器中投加Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Co²⁺等金属离子或者MnO₂、FeOOH、TiO₂、活性炭等非均相催化剂来强化处理效果。

本发明中介质阻挡放电反应直接在所需处理的废水中进行，介质阻挡放电过程中产生的紫外光可以有效地对废水中的污染物进行降解，同时，介质阻挡放电产生的臭氧等活性物质通过微孔曝气的方式进入废水中，并且与废水充分混合、接触，进一步对废水中的污染物进行降解。

Claims (9)

1.一种介质阻挡放电技术处理染料废水的装置，包括设有气体入口(12)和气体出口(4)的密闭容器(14)、支架(10)、负极板(13)、以及与高压电源(3)相连的金属圆柱电极(2)，其特征在于，所述支架(10)上安装有所述负极板(13)；所述负极板(13)表面加工有一序列均匀的凹槽；所述负极板(13)一端安装有布水器(11)，另一端安装有水收集器(6)；所述负极板(13)安装有布水器(11)的一侧安装有高压极，负极板安装有水收集器(6)的一侧安装有接地极；所述金属圆柱电极(2)由介质阻挡材料(1)包裹形成套筒结构，并悬挂在所述负极板(13)的上方；所述套筒结构在形成均匀水膜的负极板(13)和高压极之间形成介质阻挡放电。

2.根据权利要求1所述的介质阻拦放电技术处理染料废水的装置，其特征在于，所述水收集器(6)的出口端与反应容器(7)相连；所述反应容器(7)底部设有微孔曝气装置(8)；所述气体出口(4)输出的气体通过管道与抽气泵(5)送入所述微孔曝气装置(8)；所述反应容器(7)中的染料废水通过管道和蠕动泵(9)送入所述布水器(11)相连。

3.根据权利要求1或2所述的介质阻挡放电技术处理染料废水的装置，其特征在于，所述负极板(13)采用耐腐蚀性和抗氧化性的金属材料制成；所述凹槽的宽度为0.2-2mm，深度为0.2-0.5mm。

4.根据权利要求1所述的介质阻挡放电技术处理染料废水的装置，其特征在于，所述介质阻挡材料(1)为玻璃、氧化铝、聚四氟乙烯、硅橡胶，或上述物质进行掺杂改性的材料。

5.根据权利要求1所述的介质阻挡放电技术处理染料废水的装置，其特征在于，所述介质阻挡材料(1)为圆筒形，厚度为0.5mm-5mm，一端开口，并通过聚四氟塞子密封；所述介质阻拦材料(1)的内径比所述金属圆柱电极(2)的直径大1mm；所述金属圆柱电极(2)紧贴所述阻挡介质材料(1)的内壁。

6.根据权利要求1所述的介质阻挡放电技术处理染料废水的装置，其特征在于，所述密闭容器(14)采用绝缘耐腐蚀性材料制成。

7.根据权利要求2所述的介质阻挡放电技术处理染料废水的装置，其特征在于，所述反应容器(7)内投有金属离子或者非均相催化剂，其中，金属离子为Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺或Co²⁺，非均相催化剂为MnO₂、FeOOH、TiO₂或活性炭。

8.一种介质阻挡放电技术处理染料废水的方法，其特征在于，将反应容器中的染料废水用蠕动泵泵入到布水器并通入到负极板上，通过在负极板上下分别安装高压极和接地极，在形成均匀水膜的负极板和高压极之间形成介质阻挡放电，利用介质阻挡放电过程中产生的O₃、·OH、·HO₂、O^2-、H₂O₂、高能电子以及紫外光与负极板上的染料废水发生作用，对污染物进行降解；处理完的水再回流到反应容器中，并将反应产生的未利用的臭氧以及其他的活性物质注入到反应容器中，使其与废水充分接触、混合，进一步对染料废水中的有机物进行降解。

9.根据权利要求8所述的介质阻挡放电技术处理染料废水的方法，其特征在于，还包括向所述反应容器中投加金属离子或者非均相催化剂进行强化处理的步骤，其中，金属离子为Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺或Co²⁺，非均相催化剂为MnO₂、FeOOH、TiO₂或活性炭。

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