CN102642913A - 常压液膜式气泡放电等离子体反应装置 - Google Patents

Abstract

常压液膜式气泡放电等离子体反应装置属于低温等离子体的应用技术领域，涉及一种可用于水处理的常压等离子体放电反应装置。其特征在于，含有：金属功率电极，与金属功率电极相匹配的绝缘介质层和绝缘容器。绝缘容器表面连通有入液口、出液口及进气口；待处理液在绝缘介质层表面(不与金属功率电极相邻的一侧)形成液膜；工作气体进入金属功率电极与绝缘介质层之间的间隙，经由绝缘介质层表面遍布的孔隙进入液膜内，形成大量气泡；在高压电源作用下，气泡及其周围局部范围产生气液两相混合放电，产生的等离子体对待处理液进行净化，具有有效成分利用率高、作用深度大、作用面广以及降低对等离子体激励源要求的优点。

Description

常压液膜式气泡放电等离子体反应装置

技术领域

本发明属于低温等离子体的应用技术领域，涉及一种可用于水处理的常压等离子体放电反应装置。

背景技术

由于污水，尤其是工业废水成分复杂、污染物种类繁多，其中的一些有机物用常规方法处理时难以有效地降解；有些即便可以降解，也会存在降解和脱色不彻底，降解耗时较长等问题。因此，研发新的有效的污水处理方法具有重要意义。在新型污水处理技术中，等离子体水处理技术以其降解效果好、处理效率高、与环境兼容性强等显著特点受到广泛关注，在污水处理方面显示出了良好的应用前景。

等离子体水处理技术可在常温常压下，通过放电反应直接或间接通过高能电子轰击、多种强氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)氧化、紫外线光解、电场等的综合作用，从而有效降解多种难以通过生化手段降解的污染物。1987年Clements等人(Florida StateUniversity)首次系统报道了针-板型高压脉冲放电在有曝气和无曝气条件下水溶液放电形成的预击穿现象，奠定了等离子体技术去除水中污染物的研究和应用基础。现阶段研究结果表明，放电等离子体技术可以有效地去除污水中难以通过生化手段降解的有机污染物，具有重要的科学意义及良好的应用价值。

现阶段用于工业领域和科学研究的等离子体水处理发生装置种类繁多，其中大多是采用通过气相放电产生等离子体，之后将以臭氧为主的放电产物输送到水中的方法。例如，国内申请号200720185381.0中公开的“一种自冷却介质阻挡放电臭氧水处理装置”中提出，气源的气体进入介质阻挡放电臭氧发生器后产生臭氧，产生的臭氧通过微孔曝气头进入被处理溶液中对其中的污染物进行处理。国内申请号200810229251.1中公开的“用于水处理的液体电极沿面放电等离子体反应器”中提出，令曝气气体从入口进入到绝缘介质管内部，从曝气头喷出，当在高压放电电极和液体电极之间施加高压时，在绝缘介质管内壁上会产生沿面放电等离子体，曝气气体经过沿面放电等离子体区转变成活性气体后，再经由曝气头喷出，进入待处理废水中。上述两种方法就本质而言，均属于放电发生在液相外的气相介质中，由此生成的放电产物需通过气流输运(或扩散)作用于液体。但是，由于放电产物中除臭氧外的大部分活性物种寿命很短(例如，起重要作用的OH自由基寿命小于10^-4秒)，在气流输运过程中损失较大，其作用难以得到充分发挥，最后输运到液体中的有效成分仍以臭氧为主，对处理效果造成一定影响。

与之相比，通过在液体中鼓入气泡，并使得气泡及其附近局部范围产生气液两相混合放电(简称气泡放电)则可有效克服上述方法的不足。由于气泡放电在液体内部产生，随着气泡破裂，放电产生的有效成分能够及时与待处理液接触，因此可有效避免活性基团在输运过程中的损失；此外，气泡放电常伴随较强的放电流光产生，故而同时融合了高能电子轰击、强氧化性物种氧化、紫外光光解等作用机制，对有机污染物的降解效果明显优于臭氧的单独作用。另一方面，与单纯的通过液相放电产生等离子体相比(如国内申请号201010141876.X“一种大体积液相高压脉冲放电水处理器”、申请号201010138086.6“高压脉冲放电等离子体水处理装置及方法”、申请号201120213976.9“一种用于高压放电等离子体水处理的设备”等)，由于气泡型气液混合两相放电主要是在气泡内发生，因此开启放电所需电压更低，放电所需的输入功率更小；同时，鼓入的气泡还起到了机械搅拌作用，有利于传质过程的进行。因此，目前已发展了多种基于“气泡放电等离子体”产生及应用的相关技术。

国内申请号03111418.0中公开的“双极性脉冲放电水处理方法”中提出一种双极性脉冲放电低温等离子体在线水处理方法，其特征在于利用双极性脉冲高压电源供电，放电电极被介质均匀覆盖，电极间隙充满了细小气泡(经气体分布板、微孔曝气头、曝气软管等设备分散)和被处理的水组成的气液混合体。高强电场作用于气液混合体放电产生的低温等离子体直接作用于待处理的水，以实现水体杀菌，废水脱色，有机污染物质等。然而在脉冲放电发生过程中，易受到气液混合程度等因素影响(需对气量进行优化)；且可工业化应用的脉冲高压电源技术难度较大，导致制造成本高。

国内申请号201010235060.3中公开的“低温等离子体与空气氧化相结合的水处理装置”中提出一种方法：电极通过放电产生自由基、臭氧及紫外光在水中引发有氧参与的链反应；采用位于反应容器底部的氧化装置在反应容器内形成气泡，用以提高氧与水的传质。在等离子体作用下强化水与污染物的氧化反应，达到净化目的。然而，在应用过程中，主要是在放电电极的尖端与接地电极之间产生电晕放电，其处理区域相对有限；另外，该装置的结构特点使其在脉冲放电发生过程中易受到被处理液电导率的影响；同时，该方法对功率源的参数也提出了较高要求(需使用脉宽小于200纳秒，脉冲上升前沿小于50纳秒的高压脉冲电源)。

国内申请号200880019551.5中公开的“水下等离子体处理设备和利用其处理船只压仓水的系统和方法”中提出通过高压脉冲功率源向包括空气层的水面或者包括气泡的水施加电压，通过产生放电等离子体除去移动船只压舱水中的各种微生物。然而在脉冲放电发生过程中，易受到被处理液的电导率、气液混合程度等因素影响；且放电主要集中在功率电极的尖端，处理区域相对较小且放电过程中生成的产物作用深度有限。另外，可工业化应用的脉冲高压电源技术难度较大，导致制造成本高。

文献《IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE》VOL.34，1375(2006)“Water Treatmentby Fast Oxygen Radical Flow With DC-Driven Microhollow Cathode Discharge”中提出一种采用直流电源激励的微空心阴极结构气泡放电等离子体发生装置，可实现对有机溶液(乙酸)的有效降解。然而在工作过程中，其放电规模较小，且放电区域相对有限，仅存在于微孔电极附近，在一定程度上影响了处理效率。

文献《IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE》VOL.37，897(2009)“Decompositionof Persistent Organics in Water Using a Gas-Liquid Two-Phase Flow Plasma Reactor”中提出一种可在气液两相混合态下有效产生气泡放电等离子体的发生装置。其特征在于利用脉冲高压电源供电，功率电极及地电极被介质均匀覆盖，介质间隙充满了气泡和待处理液(乙酸溶液)组成的气液混合体，气泡放电产生的等离子体可直接作用于待处理液，对待处理液中的有机成分(乙酸)具有良好的降解效果。然而在应用过程中，需采用价格昂贵的惰性气体(如氩气或者氖气)作为工作气体，且需采用高压脉冲源，对功率源的参数提出了较高要求。

文献《IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE》VOL.39，2660(2011)“Characterizationof a Multiple Bubble Jet with a Streamer Discharge”中提出一种采用脉冲直流电源激励的气泡放电等离子体发生装置。其特征在于利用脉冲直流电源供电，柱状地电极被介质层包围，介质层一侧布有数个孔隙。工作气体从入口进入到介质管内部，从孔隙喷出产生气泡，当在柱状地电极和液体高压电极之间施加高压时，发生气泡放电产生等离子体，对待处理液中的有机成分具有良好的降解效果。但在工作过程中，该装置需要将待处理液体与电源的高压端相连，增加了工业化应用的危险性；另外，其放电主要集中在孔隙附近，且处于持续的静态处理中，处理区域相对较小，处理效率受限；此外，放电过程中需要对直流电源进行脉冲调制，为大规模工业化应用增加了技术难度。

发明内容

基于目前报道的各类型的气泡放电等离子体水处理技术存在的问题，本发明提出一种常压液膜式气泡放电等离子体发生装置。

本发明的目的是提供一种可用于水处理的常压等离子体放电反应装置。通过在溶液中形成气泡放电等离子体，使放电产生的有效成分直接、迅速作用于溶液，实现更高效的污水处理，特别是对其中难以生化降解的有机污染物进行有效降解。解决现有的等离子体水处理发生装置对水质要求敏感、处理区域较小、对功率源要求高等问题。

本发明的特征之一在于，是一种同轴圆柱型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有金属管、绝缘介质管、管状绝缘容器、端盖和底座，其中：金属管作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连；绝缘介质管同轴地套在所述金属管外，所述绝缘介质管内侧面与所述金属管外侧面之间存在1mm-10mm的间隙，所述绝缘介质管底部封闭，其下端面低于所述金属管的下端面，所述绝缘介质管和所述金属管两者上部用密封塞密封连接，所述绝缘介质管上遍布孔隙；管状绝缘容器同轴地套在所述绝缘介质管外，且所述管状绝缘容器轴向长度略短于所述绝缘介质管轴向长度；端盖在径向紧套在所述绝缘介质管外，端盖纵向下端面与所述管状绝缘容器的上端面固定连接，在所述端盖一侧开有一个出液口，供经过处理的溶液流出；底座在径向与所述管状绝缘容器外侧紧密固定相连，在所述底座侧面开有一个入液口，供待处理的溶液流入，并在所述管状绝缘容器内侧与所述绝缘介质管外侧之间形成一层液膜，该液膜与高压电源低压端相连并接地；工作时，工作气体从所述金属管中央进入，到达所述绝缘介质管底部后，折返入所述金属管外侧面与绝缘介质管内侧面之间的间隙，并从所述绝缘介质管上遍布的孔隙中流出，在所述绝缘介质管外侧与所述管状绝缘容器内侧之间的液膜中形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，其中的有效成分(高能电子、OH-自由基、臭氧、过氧化氢等、紫外线、电场等)对于在所述绝缘介质管外侧和管状绝缘容器内侧之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用；

本发明的特征之二在于，是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有绝缘容器、绝缘介质板、金属平板以及支撑板，其中：绝缘容器上、下两个端面中央各连通有一个进气口，宽度方向一侧的中心线上连通着一个入液口，供待处理的溶液流入，宽度方向另一侧的中心线上连通着一个出液口，供处理后的溶液流出；绝缘介质板共有上、下两块，分别位于所述绝缘容器长度方向中心线的上、下两侧，二者保持平行，待处理液经所述入液口流入，经所述出液口流出，在所述两块绝缘介质板之间形成一层液膜，该液膜与高压电源低压端相连并接地，所述两块绝缘介质板沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于所述绝缘容器的左、右、前、后内侧面上，所述上下两块绝缘介质板上遍布孔隙；金属平板共有上、下两块，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，所述上、下两块金属平板分别位于所述两块绝缘介质板的外侧，与相邻的绝缘介质板之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙，所述两块金属平板沿长度方向与所述绝缘容器宽度方向左、右两个内侧面相连，且两端各有一块沿宽度方向连接着所述绝缘容器左右两侧面的支撑板；工作时，工作气体从所述绝缘容器上下两个进气口进入后，沿着所述金属平板的宽度方向流动，从所述金属平板长度方向边缘与所述绝缘容器相应的长度方向内侧面之间的缝隙进入所述金属平板与相邻绝缘介质板之间的所述间隙，并通过所述孔隙进入所述液膜内，形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，其中的有效成分(高能电子、OH-自由基、臭氧、过氧化氢等、紫外线、电场等)对于在所述上下两块绝缘介质板之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用；

本发明的特征之三在于，是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有绝缘容器、金属平板、绝缘介质板以及支撑板，其中：绝缘容器宽度方向一侧从上到下依次连通有上入液口、进气口和下入液口，所述进气口位于所述绝缘容器宽度方向同一侧的中心线上，所述绝缘容器宽度方向另一侧从上到下连通有两个与所述上、下两个入液口位置对应的上、下两个出液口；金属平板位于所述绝缘容器长度方向中心线上，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，所述金属平板一侧沿长度方向与所述绝缘容器宽度方向上相应的内侧面相连，且有一块沿宽度方向连接着所述绝缘容器内侧面的支撑板，所述金属平板另一侧对着所述进气口悬空放置；绝缘介质板共上、下两块，分别对称地位于所述金属平板的上、下方，与所述金属平板保持平行，且所述上、下两块绝缘介质板与所述金属平板之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙，所述两块绝缘介质板沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于所述绝缘容器的左、右、前、后内侧面上，所述上、下两块绝缘介质板上遍布孔隙；工作时，待处理液经所述上、下两个入液口流入，经所述上、下两个出液口流出，分别在所述绝缘容器上、下端面与所述上、下两块绝缘介质板外端面之间形成两层液膜，所述两层液膜与高压电源低压端相连并接地，工作气体从所述绝缘容器侧面的进气口进入后，进入所述金属平板与上、下两块绝缘介质板之间的间隙，并通过所述孔隙进入所述液膜内，形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，其中的有效成分(高能电子、OH-自由基、臭氧、过氧化氢等、紫外线、电场等)对于在所述绝缘容器上、下端面与所述上、下两块绝缘介质板之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

本发明的特征之四在于，是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有绝缘容器、绝缘介质板、金属平板以及支撑板，其中：绝缘容器宽度方向左、右两侧上端分别连通有入液口及出液口，底面下方中央位置连通有进气口；绝缘介质板沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于所述绝缘容器的左、右、前、后内侧面上，所述绝缘介质板上遍布孔隙；金属平板位于所述绝缘介质板与所述绝缘容器底面之间，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，所述金属平板与所述绝缘介质板之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙，所述金属平板一侧沿长度方向与所述绝缘容器宽度方向内侧面相连，且有一块沿宽度方向连接着所述绝缘容器内侧面的支撑板，所述金属平板另一侧悬空放置；工作时，待处理液经所述入液口流入，经所述出液口流出，在所述绝缘容器上端面与所述绝缘介质层之间形成液膜，所述液膜与高压电源低压端相连并接地，工作气体从所述进气口进入后，进入所述金属平板与所述绝缘介质板之间的间隙，并通过所述孔隙进入所述液膜内，形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，其中的有效成分(高能电子、OH-自由基、臭氧、过氧化氢等、紫外线、电场等)对于在所述绝缘介质板和绝缘容器上端面之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

本发明的特征之五在于，是一种球型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有金属球或金属球壳、绝缘介质球壳以及球壳状绝缘容器，其中：金属球或金属球壳，与所述绝缘介质球壳、球壳状绝缘容器顺次由内向外层层相套，相贯连接，并保持同心，所述金属球或金属球壳上沿径向水平方向连有一根一直贯通到所述球壳状绝缘容器外的绝缘空心管，导线可通过所述绝缘空心管将金属球或金属球壳与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连；绝缘介质球壳，同心地套在所述金属球或金属球壳外，所述绝缘介质球壳内侧面与所述金属球或金属球壳外侧面之间存在1mm-10mm的间隙，所述绝缘介质球壳上有一贯通到所述球壳状绝缘容器外的进气口，在所述绝缘介质球壳上遍布孔隙；球壳状绝缘容器同心地套在所述绝缘介质球壳外，下端连通有一个入液口，上端连通有一个出液口，待处理液经所述入液口流入，经所述出液口流出，在所述绝缘介质球壳和球壳状绝缘容器之间形成一层液膜，该液膜与高压电源低压端相连并接地；工作时，工作气体从所述进气口进入，到达所述绝缘介质球壳和金属球或金属球壳之间的间隙，并从所述绝缘介质球壳上遍布的孔隙中流出，在所述绝缘介质球壳和球壳状绝缘容器之间的液膜中形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，其中的有效成分(高能电子、OH-自由基、臭氧、过氧化氢等、紫外线、电场等)对于在所述绝缘介质球壳和球壳状绝缘容器之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

本发明的特征之六在于，还可以是横截面为三角形或多边形或有一条边是弧形的多边形的其他同轴结构常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，工作时，待处理液分别经入液口流入，出液口流出，在绝缘介质管与管状绝缘容器之间形成液膜，液膜与高压电源低压端相连并接地；金属管与高压电源高压端相连，作为反应装置的功率电极；金属管与绝缘介质管之间有1mm-10mm的间隙；工作气体从金属管进入后，到达绝缘介质管底部后，折返进入金属管与绝缘介质管之间的间隙，并经由绝缘介质管表面遍布的孔隙进入液膜内，形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，其中的有效成分(高能电子、OH-自由基、臭氧、过氧化氢等、紫外线、电场等)对于在所述绝缘介质管和管状绝缘容器之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

视实际水量及处理要求，上述反应装置可以通过采用单个单元，或多个单元多级串联或并联操作，对待处理液进行动态循环处理，以满足实际需要。

本发明的主要效果和益处体现在(1)通过采用气泡放电，使得放电产生的有效成分，如高能电子、多种强氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)、紫外线、电场等，能够及时与待处理液接触，避免活性基团在输运过程中的损失，提高活性物质的利用率；同时亦有助于传质过程的进行；(2)通过采用液膜式结构，强化局部处理效果，避免了目前大多数等离子体水处理技术的反应器在放电过程中生成的产物作用深度有限及处理区域相对较小的不足，提高处理效率；(3)由于在金属功率电极与介质层之间保留一狭小间隙，使得气泡经介质层上的孔隙进入溶液后易于在溶液中产生等离子体放电，经kHz交流源激励，在较低电压下即可放电，降低对等离子体激励源参数的要求；(4)通过采用单个单元(或多个单元联用)对待处理液进行动态循环处理，有效强化处理效果；(5)对不同待处理液(如电导率、PH值不同)具有较好的普适性；(6)可在常压下进行水体净化，有效去除有机污染物，具有快速、安全、环保、低温等优点；(7)整套等离子体发生装置易于放大，更加符合大规模工程应用的需求。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方案，采用常压液膜式气泡放电等离子体反应装置进行水处理的系统图。

图中，101为液体池，102为双向定量液压泵，用于控制溶液流向与流速，104为高压电源(频率5kHz-100kHz，电压1kV-30kV)，105为流量计，用于控制工作气体流速，106为气瓶，用于盛装工作气体(空气、氧气、氩气、氦气、氮气及其混合气中的一种)，103为常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，主要包括：柱型(包括横截面是圆形、三角形，或多边形，或有一条边是弧形的多边形中的任何一种)或平板型或球型(包括球及球壳)金属电极，以及与所述金属电极形状相匹配的绝缘介质层(柱型(包括横截面是圆形、三角形，或多边形，或有一条边是弧形的多边形中的任何一种)、球型、平板型)和绝缘容器(如柱形(包括横截面是圆形、三角形，或多边形，或有一条边是弧形的多边形中的任何一种)、球型、长方体)，待处理液经装置入液口流入，经出液口流出，在绝缘介质层表面(不与金属电极相邻的一侧)形成液膜，液膜与高压电源低压端相连并接地；绝缘介质层另一侧为金属电极，金属电极与高压电源高压端相连，作为反应装置的功率电极；金属电极与绝缘介质层之间有一狭小间隙，工作气体从进气口进入后，进入所述金属电极与绝缘介质层之间的间隙，并经由绝缘介质层表面遍布的孔隙进入所述液膜内，形成大量气泡；在高压电源作用下，气泡及其周围局部范围产生气液两相混合放电，产生的等离子体中的有效成分(高能电子、OH-自由基、臭氧、过氧化氢等、紫外线、电场等)对于液膜中的待处理污水发生净化作用。根据处理要求，上述反应装置可以通过采用单个单元，或多个单元多级串联或并联操作，对待处理进行动态循环处理。

图2至7是根据本发明实施方案的图1的103常压液膜式气泡放电等离子体反应装置的详细结构图。其中，

图2是一种同轴圆柱型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，图中201是金属管，作为功率电极用，与电源高压端相连；203是绝缘介质管；202是绝缘介质管203内侧面与金属管201外侧面之间的间隙；204是绝缘介质管203上遍布的孔隙；206是管状绝缘容器；205是绝缘介质管203外侧面与管状绝缘容器206的内侧面之间的液膜；207是入液口；208是出液口；209是地电极；210是端盖；211是底座。

图3是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，图中301是进气口；302是绝缘容器；303是上、下金属平板；305是上、下绝缘介质板；304是金属平板303与绝缘介质板305之间的间隙；306是上、下绝缘介质板305上遍布的孔隙；307是上、下两块绝缘介质板305之间的液膜；308是入液口；309是出液口；310是地电极；311是支撑板。

图4是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，图中401是进气口；402是绝缘容器；403是金属平板；405是上、下绝缘介质板；404是金属平板403与绝缘介质板405之间的间隙；406是上、下绝缘介质板405上遍布的孔隙；407是绝缘容器402上、下端面与所述上、下两块绝缘介质板405外端面之间的两层液膜；408是入液口；409是出液口；410是地电极；411是支撑板。

图5是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，图中501是进气口；502是绝缘容器；503是金属平板；505是绝缘介质板；504是金属平板503与绝缘介质板505之间的间隙；506是绝缘介质板505上遍布的孔隙；507是绝缘容器502上端面与所述绝缘介质板505之间的液膜；508是入液口；509是出液口；510是地电极；511是支撑板。

图6是球型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，图中601是进气口；602是金属球或金属球壳，作为功率电极用，与电源高压端相连；604是绝缘介质球壳；603是绝缘介质球壳604内侧面与金属球或金属球壳602外侧面之间的间隙；605是绝缘介质球壳604上遍布的孔隙；607是球壳状绝缘容器；606是绝缘介质球壳604外侧面与球壳状绝缘容器607内侧面之间的液膜；608是入液口；609是出液口；610是地电极；611是绝缘空心管，导线可通过该绝缘空心管611将金属球或金属球壳602与高压电源高压端相连。

图7是根据图2的横截面为三角形或多边形或有一条边是弧形的多边形的其他同轴结构常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，图中701是金属管，作为功率电极用，与电源高压端相连；703是绝缘介质管，上面遍布孔隙；702是绝缘介质管703内侧面与金属管701外侧面之间的间隙；705是管状绝缘容器；704是绝缘介质管703外侧面与管状绝缘容器705的内侧面之间的液膜。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细叙述本发明的最佳实施例：

图1是根据本发明一个实施方案，采用常压液膜式气泡放电等离子体反应装置进行水处理的系统图。

如图1所示，101液体池中的溶液由102双向定量液压泵按一定流速抽出，进入103液膜式气泡放电等离子体反应装置，106气瓶中的工作气体经105流量计进入103常压液膜式气泡放电等离子体反应装置中用以形成气泡，在104频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，对于待处理溶液发生净化作用，经作用后的溶液最终再流回101液体池中，以此动态循环处理。

参考图2至7，将更详细地描述图1的103常压液膜式气泡放电等离子体反应装置的详细结构图。

如图2，反应装置采用一种同轴圆柱型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其中金属管201作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连；绝缘介质管203同轴地套在金属管201外，二者之间存在1mm-10mm的间隙202，且两者上部用密封塞密封连接，绝缘介质管203上遍布孔隙204，且绝缘介质管203底部封闭，其下端面低于金属管201的下端面；管状绝缘容器206同轴地套在绝缘介质管203外，且管状绝缘容器206的轴向长度略短于绝缘介质管203的轴向长度；端盖210在径向紧套在绝缘介质管203外，在纵向端盖210的下端面与管状绝缘容器206的上端面固定连接，端盖210一侧开有一个出液口208，供经过处理的溶液流出；底座211在径向与管状绝缘容器206外侧紧密固定相连，底座211侧面开有一个入液口207，供待处理的溶液流入；流入的溶液在管状绝缘容器206内侧与绝缘介质管203外侧之间形成一层液膜205，液膜205与高压电源低压端相连，两者同时与地电极209相连；工作气体从金属管201中央进入，到达绝缘介质管203底部后，折返入金属管201的外侧面与绝缘介质管203的内侧面之间的间隙202，并从绝缘介质管203上遍布的孔隙204中流出，在液膜205中形成大量气泡，在频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下，孔隙204附近的气泡发生放电，产生等离子体，其中的有效成分，如高能电子、多种强氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)、紫外线、电场等作用于待处理液，达到净化水质，有效降解有机污染物的目的。

如图3，反应装置采用一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其中绝缘容器302上、下端面的中央各连通有一个进气口301，宽度方向一侧的中心线上连通着一个入液口308，宽度方向另一侧的中心线上连通着一个出液口309；绝缘介质板305共有上、下两块，分别位于绝缘容器302长度方向中心线的上、下两侧，二者保持平行；待处理液经入液口308流入，经出液口309流出，在上、下两块绝缘介质板305间形成一层液膜307，液膜307与高压电源低压端相连，两者同时与地电极310相连；两块绝缘介质板305沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于绝缘容器302的左、右、前、后内侧面上，两块绝缘介质板305上遍布孔隙306；金属平板303共有上、下两块，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，分别位于两块绝缘介质板305的外侧，与相邻的绝缘介质板305之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙304；上、下两块金属平板303沿长度方向与绝缘容器302宽度方向左、右两个内侧面相连，在长度方向左右两端各有一块沿宽度方向连接着绝缘容器302左、右两内侧面的支撑板311；工作气体从绝缘容器302上、下两个进气口301进入后，沿着金属平板303的宽度方向流动，从金属平板303长度方向边缘与绝缘容器302相应的长度方向内侧面之间的缝隙进入金属平板303与绝缘介质板305之间的间隙304，并通过孔隙306进入液膜内，形成大量气泡。在频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下，孔隙306附近的气泡发生放电，产生等离子体，其中的有效成分，如高能电子、多种强氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)、紫外线、电场等作用于待处理液，达到净化水质，有效降解有机污染物的目的。

如图4，反应装置采用一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其中绝缘容器402宽度方向一侧从上到下依次连通有上入液口408、进气口401和下入液口408，进气口401位于绝缘容器402宽度方向一侧的中心线上，绝缘容器402宽度方向另一侧从上到下连通有两个与上、下入液口408位置对应的上、下出液口409；金属平板403位于绝缘容器402长度方向中心线上，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，金属平板403一侧与绝缘容器402宽度方向上相应的内侧面相连，且有一块沿宽度方向连接着绝缘容器402内侧面的支撑板411，金属平板403另一侧对着进气口401悬空放置；绝缘介质板405共两块，分别对称地位于金属平板403的上、下方，与金属平板403保持平行，且上、下两块绝缘介质板405与金属平板403之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙404，上、下两块绝缘介质板405沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于绝缘容器402的左、右、前、后内侧面上，且两块绝缘介质板405上遍布孔隙406；待处理液经上、下入液口408流入，经上、下出液口409流出，分别在绝缘容器402上、下端面与上、下两块绝缘介质层405之间形成两层液膜407，两层液膜407与高压电源低压端相连，三者同时与地电极410相连；工作气体从绝缘容器402侧面的进气口401进入后，进入金属平板403与上、下两块绝缘介质板405之间的间隙404，并通过孔隙406进入液膜407内，形成大量气泡，在频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下，孔隙406附近的气泡发生放电，产生等离子体，其中的有效成分，如高能电子、多种强氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)、紫外线、电场等作用于待处理液，达到净化水质，有效降解有机污染物的目的。

如图5，反应装置采用一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其中绝缘容器502宽度方向左右两侧上端分别连通有入液口508及出液口509，底面下方中央位置连通有进气口501；绝缘介质板505沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于绝缘容器502的左、右、前、后内侧面上，绝缘介质板505上遍布孔隙506；金属平板503位于绝缘介质板505与绝缘容器502下底面之间，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连；金属平板503与绝缘介质板505之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙504；金属平板503一侧沿长度方向与绝缘容器502宽度方向内侧面相连，且有一块沿宽度方向连接着绝缘容器502内侧面的支撑板511，金属平板503另一侧悬空放置；待处理液经入液口508流入，经出液口509流出，在绝缘容器502上端面与绝缘介质层505之间形成液膜507，液膜507与高压电源低压端相连，二者同时与地电极510相连；工作气体从进气口501进入后，进入金属平板503与绝缘介质板505之间的间隙504，并通过孔隙506进入液膜507内，形成大量气泡；在频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下，孔隙506附近的气泡发生放电，产生等离子体，其中的有效成分，如高能电子、多种强氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)、紫外线、电场等作用于待处理液，达到净化水质，有效降解有机污染物的目的。

如图6，反应装置采用一种球型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其中金属球或金属球壳602与绝缘介质球壳604、球壳状绝缘容器607顺次由内向外层层相套，相贯连接，并保持同心；金属球或金属球壳602上沿径向水平方向连有一根贯通到球壳状绝缘容器607外的绝缘空心管611，导线可通过该绝缘空心管611将金属球或金属球壳602与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连；绝缘介质球壳604同心地套在金属球或金属球壳602外，两者之间存在1mm-10mm的间隙603；绝缘介质球壳604上遍布孔隙605，其表上有一贯通到球壳状绝缘容器607外的进气口601；球壳状绝缘容器607同心地套在绝缘介质球604外，下端连通有一个入液口608，上端连通有一个出液口609，以在绝缘介质球壳604和球壳状绝缘容器607之间形成一层液膜606，液膜606与高压电源低压端相连，两者同时与地电极610相连；工作气体从进气口601进入，到达绝缘介质球壳604和金属球或金属球壳602之间的间隙603，并从绝缘介质球壳604上遍布的孔隙605中流出，在液膜606中形成大量气泡，在频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下，孔隙605附近的气泡发生放电，产生等离子体，其中的有效成分，如高能电子、多种强氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)、紫外线、电场等作用于待处理液，达到净化水质，有效降解有机污染物的目的。

如图7，反应装置采用横截面为三角形或多边形或有一条边是弧形的多边形的其他同轴结构常压液膜式气泡放电等离子体反应装置。其结构连接方式与具体实施方法与图2的同轴圆柱型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置相似。工作时，待处理液分别经入液口流入，出液口流出，在绝缘介质管703与管状绝缘容器705之间形成液膜704，液膜704与高压电源低压端相连，且同时与地电极相连；金属管701与高压电源高压端相连，作为反应装置的功率电极；金属管701与绝缘介质层703之间有1mm-10mm的间隙702。工作气体从金属管701进入后，到达绝缘介质管703底部后，折返进入间隙702，并经由绝缘介质层表面遍布的孔隙进入液膜704内，形成大量气泡。在高压电源作用下，孔隙附近的气泡发生放电，产生等离子体，其中的有效成分，如高能电子、多种强氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)、紫外线、电场等作用于待处理液，达到净化水质，有效降解有机污染物的目的。

视实际水量及处理要求，上述反应装置可以通过采用单个单元，或多个单元多级串联或并联操作，对有机废液进行动态循环处理，以满足实际需要。

图1-7所示的系统和反应器的实际效果是：本实验中，采用空气为气源，气体的流量控制在优化气量0.6L/min，绝缘介质层材料选用聚四氟乙烯，电源频率f＝25kHz，电源峰峰值电压Vpp＝4.7kV，金属功率电极与绝缘介质层之间间距均为1.5mm，液膜厚度为3mm，待处理液为100mg/L亚甲基蓝溶液，液量为20ml，处理3min后亚甲基蓝的脱色率可达40％，处理6min后脱色率可达80％，处理12min后脱色率可达99.7％，脱色效果明显。

Claims (8)

1.常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其特征在于，是一种同轴圆柱型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有金属管、绝缘介质管、管状绝缘容器、端盖和底座，其中：

金属管，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，

绝缘介质管，同轴地套在所述金属管外，所述绝缘介质管内侧面与所述金属管外侧面之间存在1mm-10mm的间隙，所述绝缘介质管底部封闭，其下端面低于所述金属管的下端面，所述绝缘介质管和所述金属管两者上部用密封塞密封连接，所述绝缘介质管上遍布孔隙，

管状绝缘容器，同轴地套在所述绝缘介质管外，且所述管状绝缘容器轴向长度略短于所述绝缘介质管轴向长度，

端盖，在径向紧套在所述绝缘介质管外，所述端盖纵向下端面与所述管状绝缘容器的上端面固定连接，在所述端盖一侧开有一个出液口，供经过处理的溶液流出，

底座，在径向与所述管状绝缘容器外侧紧密固定相连，在所述底座侧面开有一个入液口，供待处理的溶液流入，并在所述管状绝缘容器内侧与所述绝缘介质管外侧之间形成一层液膜，所述液膜与高压电源低压端相连并接地；

工作气体从所述金属管中央进入，到达所述绝缘介质管底部后，折返入所述金属管外侧面与绝缘介质管内侧面之间的间隙，并从所述绝缘介质管上遍布的孔隙中流出，在所述绝缘介质管外侧与所述管状绝缘容器内侧之间的液膜中形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，对于在所述绝缘介质管外侧和管状绝缘容器内侧之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

2.常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其特征在于，是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有绝缘容器、绝缘介质板、金属平板以及支撑板，其中：

绝缘容器，其上、下端面中央各连通有一个进气口，宽度方向一侧的中心线上连通着一个入液口，供待处理的溶液流入，宽度方向另一侧的中心线上连通着一个出液口，供处理后的溶液流出，

绝缘介质板，共有上、下两块，分别位于所述绝缘容器长度方向中心线的上、下两侧，二者保持平行，待处理液经所述入液口流入，经所述出液口流出，在所述两块绝缘介质板之间形成一层液膜，该液膜与高压电源低压端相连并接地，所述两块绝缘介质板沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于所述绝缘容器的左、右、前、后内侧面上，所述上下两块绝缘介质板上遍布孔隙，

金属平板，共有上、下两块，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，所述上、下两块金属平板分别位于所述上、下两块绝缘介质板的外侧，与相邻的绝缘介质板之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙，所述两块金属平板沿长度方向与所述绝缘容器宽度方向左、右两个内侧面相连，且两端各有一块沿宽度方向连接着所述绝缘容器左、右两内侧面的支撑板；

工作气体从所述绝缘容器上、下两个进气口进入后，沿着所述金属平板的宽度方向流动，从所述金属平板长度方向边缘与所述绝缘容器相应的长度方向内侧面之间的缝隙进入所述金属平板与相邻绝缘介质板之间的所述间隙，并通过所述孔隙进入所述液膜内，形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，对于在所述上、下两块绝缘介质板之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

3.常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其特征在于，是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有绝缘容器、金属平板、绝缘介质板以及支撑板，其中：

绝缘容器，其宽度方向一侧从上到下依次连通有上入液口、进气口和下入液口，所述进气口位于所述绝缘容器宽度方向同一侧的中心线上，所述绝缘容器宽度方向另一侧从上到下连通有两个与所述上、下两个入液口位置对应的上、下两个出液口，

金属平板，位于所述绝缘容器长度方向中心线上，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，所述金属平板一侧沿长度方向与所述绝缘容器宽度方向上相应的内侧面相连，且有一块沿宽度方向连接着所述绝缘容器内侧面的支撑板，所述金属平板另一侧对着所述进气口悬空放置，

绝缘介质板，共上、下两块，分别对称地位于所述金属平板的上、下方，与所述金属平板保持平行，且所述上下两块绝缘介质板与所述金属平板之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙，所述两块绝缘介质板沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于所述绝缘容器的左、右、前、后内侧面上，所述上、下两块绝缘介质板上遍布孔隙；

待处理液经所述上、下两个入液口流入，经所述上、下两个出液口流出，分别在所述绝缘容器上、下端面与所述上、下两块绝缘介质板外端面之间形成两层液膜，所述两层液膜与高压电源低压端相连并接地，工作气体从所述绝缘容器侧面的进气口进入后，进入所述金属平板与上、下两块绝缘介质板之间的间隙，并通过所述孔隙进入所述液膜内，形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，对于在所述绝缘容器上、下端面与所述上、下两块绝缘介质板之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

4.常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其特征在于，是一种平板型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有绝缘容器、绝缘介质板、金属平板以及支撑板，其中：

绝缘容器，其宽度方向左、右两侧上端分别连通有入液口及出液口，底面下方中央位置连通有进气口，

绝缘介质板，沿长度方向的左、右两侧及沿宽度方向的前、后两侧分别内接于所述绝缘容器的左、右、前、后内侧面上，所述绝缘介质板上遍布孔隙，

金属平板，位于所述绝缘介质板与所述绝缘容器底面之间，作为功率电极用，与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，所述金属平板与所述绝缘介质板之间存在垂直距离为1mm-10mm的间隙，所述金属平板一侧沿长度方向与所述绝缘容器宽度方向内侧面相连，且有一块沿宽度方向连接着所述绝缘容器内侧面的支撑板，所述金属平板另一侧悬空放置；

待处理液经所述入液口流入，经所述出液口流出，在所述绝缘容器上端面与所述绝缘介质层之间形成液膜，所述液膜与高压电源低压端相连并接地，工作气体从所述进气口进入后，进入所述金属平板与所述绝缘介质板之间的间隙，并通过所述孔隙进入所述液膜内，形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，对于在所述绝缘介质板和绝缘容器上顶面之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

5.常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其特征在于，是一种球型常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，含有金属球或金属球壳、绝缘介质球壳以及球壳状绝缘容器，其中：

金属球或金属球壳，与所述绝缘介质球壳、球壳状绝缘容器顺次由内向外层层相套，相贯连接，并保持同心，所述金属球或金属球壳上沿径向水平方向连有一根一直贯通到所述球壳状绝缘容器外的绝缘空心管，导线可通过所述绝缘空心管将金属球或金属球壳与频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，

绝缘介质球壳，同心地套在所述金属球或金属球壳外，所述绝缘介质球壳内侧面与所述金属球或金属球壳外侧面之间存在1mm-10mm的间隙，所述绝缘介质球壳上有一贯通到所述球壳状绝缘容器外的进气口，在所述绝缘介质球壳上遍布孔隙，

球壳状绝缘容器同心地套在所述绝缘介质球壳外，下端连通有一个入液口，上端连通有一个出液口，待处理液经所述入液口流入，经所述出液口流出，在所述绝缘介质球壳和球壳状绝缘容器之间形成一层液膜，该液膜与高压电源低压端相连并接地；

工作气体从所述进气口进入，到达所述绝缘介质球壳和金属球或金属球壳之间的间隙，并从所述绝缘介质球壳上遍布的孔隙中流出，在所述绝缘介质球壳和球壳状绝缘容器之间的液膜中形成大量气泡，在所述频率为5kHz-100kHz，电压为1kV-30kV的高压电源作用下发生气泡放电，产生等离子体，对于在所述绝缘介质球壳和球壳状绝缘容器之间区域内流动的待处理溶液发生净化作用。

6.根据权利要求1所述的常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其特征在于：金属管、绝缘介质管以及管状绝缘容器的横截面是同轴的三角形，或多边形，或有一条边是弧形的多边形中的任何一种。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其特征在于：工作气体为空气、氧气、氩气、氦气、氮气及其混合气中的一种。

8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的常压液膜式气泡放电等离子体反应装置，其特征在于：绝缘介质的材料是玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯中的任何一种。

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