CN102897892A - 一种增强型毛细管针放电等离子体水处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种增强型毛细管针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，包括反应容器和放电装置，其中：放电装置由金属毛细管功率电极、绝缘介质管、金属端盖悬浮电极与气室组成，置于反应容器内；工作气体通过气室进入金属毛细管和绝缘介质管内，在高压电源作用下，在金属毛细管下端针状管口与金属端盖之间的绝缘介质管内产生气体放电等离子体，生成的产物从金属端盖上的小孔流出进入待处理溶液，对反应容器内的溶液进行净化；具有活性物质利用率高、对不同待处理液普适性强、稳定性好、易于集成以及降低对等离子体激励源要求的优点。
Description
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
水资源作为人类生存的基本需求，因为其稀缺性和在生产生活中无可替代的地位必须得到高度重视及切实保护。随着中国工业化和城市化进程加速，对淡水的用量日趋增加，而与此同时，工业污水及生活污水排放量也在逐年递增，导致水资源需求更加紧迫。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，提高污水处理效率具有重要意义。
近年来，等离子体科学与技术研究的不断深入促进了等离子体技术在水处理领域的蓬勃发展。众多研究结果表明，放电等离子体技术可以有效地去除水溶液中难以通过生化手段降解的有机物，具有与环境兼容性强、降解效果好、处理效率高、适用性广等显著特点。其特征在于利用以自由基为核心的强氧化剂，通过高能电子轰击、多种强氧化性活性粒子（如自由基、臭氧、过氧化氢等）氧化、紫外辐射、电场作用、高压激波等作用，快速、无选择性、彻底氧化污水中各种有机污染物。由于该技术兼备湿式氧化技术、光催化氧化、电化学催化降解和超临界水氧化法等优点，因此在处理难降解有机污染物方面具有独特的技术优势，被认为是一种具有良好发展前景的废水高级氧化技术。
现阶段可用于水处理应用的等离子体发生装置种类繁多，其中最为常见的类型之一是通过在液面以上的气体环境中产生等离子体，之后将放电产物通过气流输运（或通过扩散作用）注入到水中（如国内申请号200910097878.0中公开的“同时对纤维丝改性和污水处理的室温等离子体炬阵列装置”）。但是，一方面，由于输运路径较长，而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），因此放电产物中的活性成分在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；另一方面，即便可以缩短输运路径，放电产物可以通过扩散作用及时作用于水溶液表面（如国内申请号200720013297.0中公开的“一种电晕放电等离子体水处理装置”，以及国内申请号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”），但仍存在放电产物作用深度有限的问题，因此该类型等离子体发生装置通常仅适用于待处理液液量较少或液体厚度较薄的情况。
为了克服上述不足，较常用的方法是使得放电直接在水溶液中发生。当液相介质处于强电场时，会出现解离和碰撞电离现象，形成从高压电极向外延伸的高温高压等离子体通道（流光或火花通道），并产生大量活性成分，如离子（H+、H3O+、O+、H-、O-、OH-）、自由基（·OH、·H、·O、HO2）、分子（H2O2、H2、O2、O3）和光子、电子等。然而此类装置多采用裸露电极，受水溶液腐蚀严重，且在放电过程中易受到被处理溶液的电导率等因素影响；同时，上述放电对功率源的参数要求较高，多须采用高压脉冲功率源进行激励，而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。在此基础上，为了进一步提高氧化性物种浓度，同时加强传质过程，并在一定程度上降低对高压电源的参数要求，可在水溶液中鼓入气体，使得在局部气相环境中及气液交界面处产生放电，放电产生的有效成分能够及时与水溶液接触，有效避免活性基团在输运过程中的损失，同时亦克服了放电产物作用深度有限的问题。
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：液体中的裸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，并通过反应容器底部的气泡形成装置提高氧与水的传质，强化处理效果，达到净化目的。然而在应用过程中，该装置的结构特点（采用裸露电极）使其易受到水溶液腐蚀，且在放电过程中会受到被处理溶液的电导率影响。另外，该方法对功率源的参数也提出了较高要求。
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”中提出的方法包括通过高压脉冲功率源向含有气泡的水施加电压，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，电极易被溶液腐蚀，且易受到被处理液的电导率、气液混合程度等因素影响。
文献《IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE》VOL.34,2464(2006)“Generationof Needle Injection Plasma at Atmospheric Pressure”中提出一种毛细管针电极大气压冷等离子体发生源，该装置的主体结构为一根内径仅几毫米的注射器针头，其外层套有石英管或聚四氟乙烯管，且下游管口开放。其中注射器针头作为功率电极，在应用过程中，必须采用价格昂贵的惰性气体（如氩气或者氦气）作为工作气体，在功率源的激励下，介质管内产生大量等离子体，通过气流及电场作用，放电区等离子体被喷射出管外形成射流，肉眼观测为圆锥形光柱，主要用于材料表面（包括生物体表面）消洗及介质管内壁清洁；在一定条件下，也可在液体氛围下工作，然而水溶液容易侵入玻璃管内部对放电稳定性造成干扰，此外其放电强度仍需进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于水处理的增强型毛细管针放电等离子体反应装置。通过在水溶液内部形成放电等离子体，使得产生的有效成分（如电子、多种强氧化性活性粒子、紫外线、电场等）直接作用于水溶液内部，对其中难以生化降解的有机污染物进行有效降解。
本发明的特征在于，含有反应容器、增强型毛细管针放电等离子体发生器，其中：
反应容器，采用绝缘材料制成，内盛待处理水，所述待处理水与高压电源低压端相连，两者共同接地；
增强型毛细管针放电等离子体发生器，置于所述反应容器内，由中空金属毛细管、绝缘介质管、金属端盖与气室组成，其中：
中空金属毛细管，内径在0.3mm~3mm之间，且下端管口呈针状，上端管口外侧通过金属导线与频率为5kHz~100kHz，电压为1kV~30kV的高压电源高压端相连，作为功率电极用；
绝缘介质管，同轴紧密地套在所述中空金属毛细管外，下端管口是开放的，低于所述中空金属毛细管下端的针状管口3mm~10mm；
金属端盖，上端是开放的，下底面的中央有一个位置正对着所述中空金属毛细管下端针状管口的小孔，直径为0.1mm~0.5mm，所述金属端盖同轴紧密地套在所述绝缘介质管下端管口处，作为悬浮电极，起到增强毛细管针放电强度的作用；
所述中空金属毛细管、绝缘介质管和金属端盖共同组成增强型毛细管针放电等离子体发生器中的一根基本单元，共有多根，呈阵列状排列，以起到增强气体放电等离子体有效成分的作用；
气室，采用绝缘材料制成，上端面开有进气口，下部与所述阵列式增强型毛细管针放电等离子体发生器相连，所述绝缘介质管与中空金属毛细管上端面呈开口状，都与所述气室密封连接，以便工作气体通过所述气室进入上端开口的所述中空金属管和绝缘介质管内，并使得气体放电等离子体通过所述金属端盖上的小孔进入所述待处理水中，其中的有效成分对所述反应容器内的所述待处理水发生净化所用。
本发明的主要效果和益处体现在（1）发生置置于待处理溶液内部，一方面避免了放电过程中产物作用深度有限的问题，另一方面使得放电产物能够及时与待处理液接触，避免了有效成分在输运过程中的损失，提高活性物质的利用率；（2）避免了溶液对电极的腐蚀，有效延长反应装置的工作寿命，同时增强了反应装置对不同待处理液（如电导率、PH值不同）的普适性；（3）通过采用中空金属毛细管针电极，易于在较低电压下产生较强电场，可明显降低等离子体放电产生及维持电压；（4）通过在绝缘介质管下端管口处附加一个带有小孔（直径为0.1mm~0.5mm）的金属悬浮电极，一方面可有效避免放电过程中水溶液侵入玻璃管内部对放电稳定性造成的干扰，同时可进一步增强毛细管针放电等离子体放电强度，形成增强型毛细管针放电等离子体放电；（6）可在常温常压下进行水处理，有效去除有机污染物，具有快速、安全、环保等优点；（7）易于集成，更加符合较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，采用增强型毛细管针放电等离子体反应装置进行水处理的系统图。
图中，101为用于水处理的增强型毛细管针放电等离子体反应装置，102为高压电源（频率5kHz~100kHz，电压1kV~30kV），103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），104为流量计，用于控制工作气体流速。根据处理要求，上述增强型毛细管针放电等离子体放电装置可以通过采用单个单元，或多个单元并联操作，对待处理液进行处理，以满足实际需要。
图2-3是101增强型毛细管针放电等离子体反应装置的详细结构图，其中图2为增强型毛细管针放电等离子体反应装置单个基本单元的详细结构图，图3为由多个基本单元组成的阵列式增强型毛细管针放电等离子体反应装置的详细结构图。其中，
1是内径为0.3mm~3mm且下端管口呈针状的中空金属毛细管，与频率为5kHz~100kHz,电压为1kV-30kV的高压电源高压端相连，作为功率电极；2是绝缘介质管，同轴紧密地套在所述中空金属毛细管外；3是金属端盖，同轴紧密地套在所述绝缘介质管下端管口处，作为悬浮电极；4是金属端盖中央直径为0.1mm~0.5mm的小孔；5是地电极，待处理溶液与高压电源低压端相连，两者同时与地电极5相连；6是反应容器，用于盛装待处理溶液；7是气室，上端面开有进气口，下部与所述增强型毛细管针放电等离子体发生器相连，绝缘介质管2和中空金属毛细管1两者上端面呈开口状，均与气室7密封连接。
具体实施方式
本发明是一种增强型毛细管针放电等离子体水处理装置，包括反应容器和发生装置，其中：所述反应容器采用绝缘材料制成，内盛有待处理液，待处理液与高压电源低压端相连，两者同时与地电极相连；发生装置置于反应容器内，含有内径为0.3mm~3mm且下端管口呈针状的中空金属毛细管、绝缘介质管、金属端盖和气室，其中：所述中空金属毛细管上端管口外侧通过金属导线与频率为5kHz~100kHz，电压为1kV~30kV的高压电源高压端相连，作为功率电极；绝缘介质管同轴紧密地套在所述中空金属毛细管外，其下端管口是开放的，低于所述中空金属毛细管下端针状管口3mm~10mm；所述金属端盖上端开放，同轴紧密地套在所述绝缘介质管下端管口处，且端盖中央有一直径为0.1mm~0.5mm的小孔，所述金属端盖作为悬浮电极，起到增强毛细管针放电强度的作用；所述中空金属毛细管、绝缘介质管和金属端盖共同组成增强型毛细管针放电等离子体发生器中的一根基本单元，共有多根，呈阵列状排列，以起到增强气体放电等离子体有效成分的作用；气室采用绝缘材料制成，上端面开有进气口，下部与所述阵列式增强型毛细管针放电等离子体发生器相连。工作时，工作气体通过所述气室进入上端开口的所述中空金属管和绝缘介质管内，在所述频率为5kHz~100kHz，电压为1kV~30kV的高压电源作用下，在中空金属毛细管下端针状管口与金属端盖之间的绝缘介质管内产生气体放电等离子体，生成的产物从所述金属端盖上的小孔流出进入待处理溶液，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内的待处理水发生净化作用。
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，采用增强型毛细管针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为用于水处理的增强型毛细管针放电等离子体反应装置，103气瓶中的工作气体经104流量计进入101增强型毛细管针放电等离子体反应装置，在102频率为5kHz~100kHz,电压为1kV~30kV的高压电源作用下发生放电，产生等离子体，对于待处理水发生净化作用。
参考图2至3，将更详细地描述图1的101增强型毛细管针放电等离子体反应装置的详细结构图，其中图2为增强型毛细管针放电等离子体反应装置单个基本单元的详细结构图，图3为由多个基本单元组成的阵列式增强型毛细管针放电等离子体反应装置的详细结构图。
如图2-3，反应装置采用一种增强型毛细管针放电等离子体水处理装置，包括反应容器和发生装置，其中反应容器6内盛有待处理溶液，待处理溶液与高压电源低压端相连，两者同时与地电极5相连；发生装置置于反应容器内，含有内径为0.3mm~3mm且下端管口呈针状的中空金属毛细管1、绝缘介质管2、金属端盖3和气室7；中空金属毛细管1上端管口外侧通过金属导线与频率为5kHz~100kHz,电压为1kV~30kV的高压电源高压端相连，作为功率电极；绝缘介质管2同轴紧密地套在所述中空金属毛细管1外，其下端管口低于所述中空金属毛细管1下端针状管口3mm~10mm，且所述绝缘介质管2和所述中空金属毛细管1两者上部与气室7密封连接；金属端盖3同轴紧密地套在所述绝缘介质管2下端管口处，作为悬浮电极，且所述金属端盖中央有一直径为0.1mm~0.5mm的小孔4；所述中空金属毛细管1、绝缘介质管2和金属端盖3共同组成增强型毛细管针放电等离子体发生器中的一根基本单元（如图2），共有多根，呈阵列状排列（如图3），以起到增强气体放电等离子体有效成分的作用；气室7采用绝缘材料制成，上端面开有进气口，下部与所述阵列式增强型毛细管针放电等离子体发生器相连，所述绝缘介质管2与中空金属毛细管1上端面呈开口状，都与所述气室密7封连接。工作时，工作气体进入所述气室7，进而通过所述中空金属毛细管1上端口进入中空金属毛细管1和绝缘介质管2，在所述频率为5kHz~100kHz，电压为1kV~30kV的高压电源作用下，在中空金属毛细管1下端针状管口与金属端盖3之间的绝缘介质管内产生气体放电等离子体，生成的产物从所述金属端盖3上的小孔4流出进入待处理溶液，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6内的待处理水发生净化作用；
图1-3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7L/min，绝缘介质层材料选用石英玻璃，电源频率f＝8.5kHz，电源峰峰值电压Vpp=6.9kV，中空金属毛细管下端针状管口距离金属端盖下端面7mm，金属端盖中央小孔直径0.2mm，采用多个基本放电单元并联操作（如图3，九个基本放电单元并联操作），对待处理液进行处理，待处理液为40mg/L亚甲基蓝溶液，液量为20mL，处理2min后亚甲基蓝的脱色率可达92.5%，处理8min后脱色率可达98.9%，处理11min后脱色率可达99.2%，脱色效果明显。
Claims (3)
1.一种增强型毛细管针放电等离子体水处理装置，其特征在于，含有：反应容器、增强型毛细管针放电等离子体发生器，其中：
反应容器，采用绝缘材料制成，内盛待处理水，所述待处理水与高压电源低压端相连，两者共同接地；
增强型毛细管针放电等离子体发生器，置于所述反应容器内，由中空金属毛细管、绝缘介质管、金属端盖与气室组成，其中：
中空金属毛细管，内径在0.3mm~3mm之间，且下端管口呈针状，上端管口外侧通过金属导线与频率为5kHz~100kHz，电压为1kV~30kV的高压电源高压端相连，作为功率电极用；
绝缘介质管，同轴紧密地套在所述中空金属毛细管外，下端管口是开放的，低于所述中空金属毛细管下端的针状管口3mm~10mm；
金属端盖，上端是开放的，下底面的中央有一个位置正对着所述中空金属毛细管下端针状管口的小孔，直径为0.1mm~0.5mm，所述金属端盖同轴紧密地套在所述绝缘介质管下端管口处，作为悬浮电极，起到增强毛细管针放电强度的作用；
所述中空金属毛细管、绝缘介质管和金属端盖共同组成增强型毛细管针放电等离子体发生器中的一根基本单元，共有多根，呈阵列状排列，以起到增强气体放电等离子体有效成分的作用；
气室，采用绝缘材料制成，上端面开有进气口，下部与所述增强型毛细管针放电等离子体发生器相连，所述绝缘介质管与中空金属毛细管上端面呈开口状，都与所述气室密封连接，以便工作气体通过所述气室进入上端开口的所述中空金属管和绝缘介质管内，并使得气体放电等离子体通过所述金属端盖上的小孔进入所述待处理水中，其中的有效成分对所述反应容器内的所述待处理水发生净化所用。
2.根据权利要求1所述的一种增强型毛细管针放电等离子体水处理装置，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。
3.根据权利要求1所述的一种增强型毛细管针放电等离子体水处理装置，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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