CN103482720A - 一种介质阻挡放电水处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种介质阻挡放电水处理装置及方法，属于水处理装置及方法技术领域。本发明的装置包括：高压高频脉冲电源、反应器壳体、柱式高压电极、筒式液下低压电极、蛭石负载二氧化钛催化剂、介质阻挡层和微孔曝气膜片。方法是加入待处理溶液，向柱式高压电极和筒式液下低压电极之间施加高压脉冲电压，其峰值电压为1～100kV，频率1～50kHz；调节进入空气量，调整处理废水在反应器内部和活性粒子接触时间。水处理装置引入了曝气装置，介质阻挡等离子体放电产生的中活性物质能够通过曝气装置全部进入待处理溶液里，传质效率高，所需时间短；方法运行稳定、操作简单，在大气压下即可运行，设备易于管理，具有较强的实用性和经济性。

Description

一种介质阻挡放电水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及一种介质阻挡放电水处理装置及方法，属于水处理装置及方法技术领域。
背景技术
工业废水水质浓度高，水质成分复杂，具有传统的生物化学处理技术难以降解的特点。国内外研究者在工业废水处理技术方面进行了有益探索，越来越多的废水处理技术已经被研究和推广应用。在众多的废水处理方法中，等离子体技术作为一种集光、电、化学氧化于一体的新型水处理技术，因其适用范围广、处理效果好等优点，成为当前水处理技术中的研究热点。
等离子体废水处理技术是兼具高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光分解等作用于一体的高级水处理氧化技术。等离子体放电过程中，非平衡等离子体产生电子、自由基、正负离子、激发态的原子、分子等高活性粒子，放电等离子体通道中富含的活性粒子是放电诱发污染物质降解反应的主体；此外，放电过程产生的紫外线、冲击波等，可同时与污染物相作用，使污染物降解。等离子体根据其放电类型的不同，分为电晕放电、介质阻挡放电（DBD）、火花放电、弧光放电、辉光放电以及上述两种放电形式以上的混合放电；其中介质阻挡放电具有均匀、漫散和稳定的特点，放电过程中产生的电子能量远高于电晕放电、火花放电的平均电子能量值，可以充分使有机物分子、水分子、氧气分子产生电离，从而激发出许多活性更高的粒子，如·OH、O3、·O、H2O2等，这些活性粒子和废水中有机物作用使其降解。近年来，介质阻挡放电在低温等离子体处理废水领域发展起来的新方法。根据放电参与介质的不同，可以分成单纯液相放电(液电效应)、气相放电和气液两相混合放电。
国内外利用等离子体放电技术处理对不同污染物降解进行了研究，例如苯环类有机物苯酚、制药废水和有机染料(如甲基蓝和甲基橙等)等，其中还包括表面活性剂。但是单独使用等离子体降解废水存在着处理时间长，活性物质不能被充分利用，能量利用率低等缺点。
光催化降解水中有机污染物具有能耗低、操作简便、反应条件温和、减少二次污染等优点，因而得到人们的重视。目前，以人工光源或太阳光光源的光催化反应体系，已在染料废水、酚类物质、药废水、制药废水、表面活性剂、含油废水、卤代烃等废水处理中得到应用。
TiO2半导体光催化剂以无毒、催化活性高、氧化能力强和稳定性好等优点，受到人们普遍关注。然而TiO2半导体光催化剂在实际应用中存在量子效率低、太阳能利用率较低、负载后其光催化活性降低等关键问题，而制约其大规模的工业应用。近年来，许多研究者针对TiO2半导体光催化剂存在的问题，提出将TiO2纳米化提高催化剂光催化性能；但是与之矛盾的是催化剂颗粒越小，催化剂越难分离。为解决这个问题，通常采用负载的方法，利用载体（玻璃珠、活性炭、多孔硅胶和天然矿物等多孔材料）比表面积大、吸附性强性等特点制备复合催化剂，与单一TiO2悬浮体系相比，这种复合催化剂具有吸附性、易回收、且能重复使用等优点，成为当前光催化材料研究领域的热点。
曝气是生物处理废水泥系统的一个重要环节，也是环境工程水处理中一个重要环节，它的作用是向池内充氧，保证微生物生化作用所需之氧量，同时保持池内微生物、有机物、溶解氧，即泥、水、气三者的充分混合，为微生物降解杂质创造有利条件。微孔曝气器是目前最常用曝气装置，该曝气装置气泡直径小，气液界面直径小，气液接触界面积大，气泡扩散均匀，不会产生孔眼堵塞氧转移效果好的特点。
构建介质阻挡放电等离子体反应装置，在装置中引入微孔曝气装置，提高活性粒子传质速率；实现将等离子体与催化剂、吸附剂等其它处理手段的协同效应，希望实现高浓度有机废水快速降解。
综上，现有的水处理装置协同效果不好、有机废水的降解处理能效不高、反应器设计复杂，不能适应有机废水的处理。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即现有的水处理装置协同效果不好、有机废水的降解处理能效不高、反应器设计复杂，不能适应有机废水的处理。进而提供一种介质阻挡放电水处理装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种介质阻挡放电水处理装置，包括：高压高频脉冲电源、反应器壳体、柱式高压电极、筒式液下低压电极、蛭石负载二氧化钛催化剂、介质阻挡层和微孔曝气膜片，所述介质阻挡层固定在反应器壳体内的中心处，介质阻挡层的下端与反应器壳体内的底部相连接，介质阻挡层的下部设有通气孔，微孔曝气膜片固定在反应器壳体内的下部介质阻挡层的外壁和反应器壳体的内壁之间，筒式液下低压电极设置在反应器壳体内的微孔曝气膜片的上部，反应器壳体和介质阻挡层之间的环形空间内分布有蛭石负载二氧化钛催化剂，柱式高压电极固定在介质阻挡层内，高压高频脉冲电源的正极与柱式高压电极相连接，高压高频脉冲电源的地电极与筒式液下低压电极相连接。
一种使用介质阻挡放电水处理装置的水处理方法，包括如下步骤：
A、加入待处理溶液：向反应容器中加入500mg/l苯酚理溶液；
B、接通电源：接通高压高频脉冲电源，向柱式高压电极和筒式液下低压电极之间施加高压脉冲电压，其峰值电压为1-100kV，频率1-50kHz；调节电压，使放电间隙放电并产生放电通道，形成活性粒子；
C、调节空气量：调节进入空气量，进而调整曝气强度，调整活性粒子的传质速率；
D、调整待处理废水水力停留时间，通过调整液体入口流量计，调整处理废水在反应器内部和活性粒子接触时间。
本发明的技术效果：1、本发明的水处理装置引入了曝气装置，介质阻挡等离子体放电产生的中活性物质能够通过曝气装置全部进入待处理溶液里，传质效率高，所需时间短，其他气相等离子体技术产生的活性不能有效进入待处理溶液，从而造成活性粒子的流失。2、本发明引入曝气装置，通过微孔产生的气泡对待处理溶液进行搅动，增加活性粒子与污染物接触几率，传质效率高，所需时间短。3、半导体材料（过渡金属TiO2、NiO、Ag2O等）等催化剂置于反应器，利用等离子体的高能量和非热力学平衡特性，借助等离子体中体相均匀分布的紫外光，实现等离子放电和光催化协同作用降解污染物。4、以蛭石作为载体负载型半导体材料（过渡金属TiO2、NiO、Ag2O等）等光催化剂，解决废水动态处理光催化剂流失问题，同时蛭石以多孔、大比表面积、吸附能力强的特点作为废水处理中常用的吸附剂。5、该处理方法能动态连续处理废水，静态处理废水，等离子放电产生活性粒子随时间的持续不断进入废水中，水中污染物随着时间降解越来越少，而废水中活性粒子的量越来越多，从而静态处理往往处理效率很高，但是相应能耗较大；动态处理废水能实现工业化应用。6、本发明工艺先进、运行稳定、操作简单，在大气压下即可运行，设备易于管理，具有较强的实用性和经济性。
附图说明
图1是一种介质阻挡放电-催化氧化水处理装置的结构示意图；
图2是一种介质阻挡放电-催化氧化水处理装置的电场分布示意图。
图中的附图标记1是高压高频脉冲电源，2是反应器壳体，3是柱式高压电极，4是筒式液下低压电机，5是蛭石负载二氧化钛催化剂，6是介质阻挡层，7是通气孔，8是微孔曝气膜片，9是气体入口，10是液体出口，11是液体入口，12是紫外光。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种介质阻挡放电水处理装置，包括：高压高频脉冲电源1、反应器壳体2、柱式高压电极3、筒式液下低压电极4、蛭石负载二氧化钛催化剂5、介质阻挡层6和微孔曝气膜片8，所述介质阻挡层6固定在反应器壳体2内的中心处，介质阻挡层6的下端与反应器壳体2内的底部相连接，介质阻挡层6的下部设有通气孔7，微孔曝气膜片8固定在反应器壳体2内的下部介质阻挡层6的外壁和反应器壳体2的内壁之间，筒式液下低压电极4设置在反应器壳体2内的微孔曝气膜片8的上部，反应器壳体2和介质阻挡层6之间的环形空间内分布有蛭石负载二氧化钛催化剂5，柱式高压电极3固定在介质阻挡层6内，高压高频脉冲电源1的正极与柱式高压电极3相连接，高压高频脉冲电源1的地电极与筒式液下低压电极4相连接。
所述反应器壳体2的尺寸为φ30X250mm，所述反应器壳体2为有机玻璃制成，所述介质阻挡层6为石英筒，尺寸为φ15X3000X3mm，所述柱式高压电极3为φ4mm钨棒，所述筒式液下低压电极4为白钢板，尺寸为φ25X200mm，所述蛭石负载二氧化钛催化剂5的粒径为φ5～φ8mm，所述作为曝气装置的微孔曝气膜片由橡胶材料制成，氧转移效率0.122～0.191L/min，充氧能力0.134～0.210kg/h。
一种使用介质阻挡放电水处理装置的水处理方法，包括如下步骤：
A、加入待处理溶液：向反应容器中加入500mg/l苯酚理溶液；
B、接通电源：接通高压高频脉冲电源，向柱式高压电极和筒式液下低压电极之间施加高压脉冲电压，其峰值电压为1-100kV，频率1-50kHz；调节电压，使放电间隙放电并产生放电通道，形成活性粒子；
C、调节空气量：调节进入空气量，进而调整曝气强度，调整活性粒子的传质速率；
D、调整待处理废水水力停留时间，通过调整液体入口流量计，调整处理废水在反应器内部和活性粒子接触时间。
所述步骤B中较佳的放电频率为15kHz，峰值电压为40kV。
所述步骤C中较佳的曝气量为80ml/s。
所述步骤D的进水苯酚浓度为500mg/l。
工作原理
筒式接地电极置于待处理溶液中，直接以待处理溶液作为一个间接地电极，阻挡介质放层置于待处理溶液表面与柱式高压电极之间，当在两电极上施加足够高的交流电压时，两电极间的气体即使在很高的气压下也会被击穿而形成介质阻挡放电。这种介质阻挡放电表现为均匀、漫散和稳定，貌似低气压的辉光放电。当待处理溶液介质阻挡放电等离子体产生时，电子在外加电场的作用下与气体分子频繁碰撞，快速移动并进行能量的相互传递。高速运动的电子和离子使放电区域迅速扩大，最后产生一个贯穿放电空间的高电导率的丝状放电通道，直至待处理溶液表面。介质阻挡放电产生的非热等离了体分布在贯穿放电空间的丝状放电通道内，可使气体发生电离，产生各种活性自由基或带电荷的原子和基团，如·OH、O3、·O、H2O2等，整体具有强氧化性，能直接传质到待处理溶液中。同时，利用等离子体的高能量和非热力学平衡特性，借助等离子体中体相均匀分布的紫外光激发液体中以蛭石作为载体负载型半导体材料（过渡金属TiO2、NiO、Ag2O等）等光催化剂氧化降解废水中污染物。将生物处理曝气装置和介质阻挡等离子体放电技术结合，解决等离子体产生活性粒子如何高效进入液相问题，进一步提高污染物脱出效率，降低能耗，节约成本。
在大气压条件下，向反应器中注入苯酚废水作为待处理溶液，放电间隙为10mm，放电频率为15kHz，峰值电压为40kV。在不同的放电时间5,10,15,20,25,30min时，曝气量为80ml/s，进水苯酚浓度500mg/l，废水中苯酚的脱除率如表1所示。
下表为不同放电时间下废水中苯酚的脱除率
通过上表可以看出，本发明以介质阻挡等离子体放电处理废水和生物曝气处理废水技术结合，可充分降解水中有机物质，解决废水杀菌消毒、脱色除臭问题，而且成本低，处理时间短，节能减排。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种介质阻挡放电水处理装置，其特征在于，包括：高压高频脉冲电源（1）、反应器壳体（2）、柱式高压电极（3）、筒式液下低压电极（4）、蛭石负载二氧化钛催化剂（5）、介质阻挡层（6）和微孔曝气膜片（8），所述介质阻挡层（6）固定在反应器壳体（2）内的中心处，介质阻挡层（6）的下端与反应器壳体（2）内的底部相连接，介质阻挡层（6）的下部设有通气孔（7），微孔曝气膜片（8）固定在反应器壳体（2）内的下部介质阻挡层（6）的外壁和反应器壳体（2）的内壁之间，筒式液下低压电极（4）设置在反应器壳体（2）内的微孔曝气膜片（8）的上部，反应器壳体（2）和介质阻挡层（6）之间的环形空间内分布有蛭石负载二氧化钛催化剂（5），柱式高压电极（3）固定在介质阻挡层（6）内，高压高频脉冲电源（1）的正极与柱式高压电极（3）相连接，高压高频脉冲电源（1）的地电极与筒式液下低压电极（4）相连接。
2.根据权利要求1所述的介质阻挡放电水处理装置，其特征在于，所述反应器壳体（2）的尺寸为φ30X250mm。
3.根据权利要求1所述的介质阻挡放电水处理装置，其特征在于，所述反应器壳体（2）为有机玻璃制成。
4.根据权利要求1所述的介质阻挡放电水处理装置，其特征在于，所述介质阻挡层（6）为石英筒，尺寸为φ15X3000X3mm。
5.根据权利要求1所述的介质阻挡放电水处理装置，其特征在于，所述柱式高压电极（3）为φ4mm钨棒。
6.根据权利要求1所述的介质阻挡放电水处理装置，其特征在于，所述筒式液下低压电极（4）为白钢板，尺寸为φ25X200mm。
7.根据权利要求1所述的介质阻挡放电水处理装置，其特征在于，所述蛭石负载二氧化钛催化剂（5）的粒径为φ5～φ8mm。
8.使用权利要求1所述的介质阻挡放电水处理装置的水处理方法，其特征在于，
A、加入待处理溶液：向反应容器中加入500mg/l苯酚理溶液；
B、接通电源：接通高压高频脉冲电源，向柱式高压电极和筒式液下低压电极之间施加高压脉冲电压，其峰值电压为1-100kV，频率1-50kHz；调节电压，使放电间隙放电并产生放电通道，形成活性粒子；
C、调节空气量：调节进入空气量，进而调整曝气强度，调整活性粒子的传质速率；
D、调整待处理废水水力停留时间，通过调整液体入口流量计，调整处理废水在反应器内部和活性粒子接触时间。
9.根据权利要求8所述的水处理方法，其特征在于，所述步骤B中的放电频率为15kHz，峰值电压为40kV。
10.根据权利要求8所述的水处理方法，其特征在于，所述步骤C中的曝气量为80ml/s；所述步骤D中的进水苯酚浓度为500mg/l。
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