CN104129833B - 等离子体协同超声空化效应废水处理反应器 - Google Patents
等离子体协同超声空化效应废水处理反应器 Download PDFInfo
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Abstract
一种等离子体协同超声空化效应废水处理反应器，包括线-板式气液两相放电反应器(1)、高压脉冲电源(2)、线电极(3)、板电极(4)、超声波发生器(501、502)、压电换能器(601、602)。高压脉冲电源(2)与线电极(3)连接，线电极(3)放置在线-板式气液两相放电反应器(1)内的顶部。板电极(4)放置在线-板式气液两相放电反应器(1)的底部，板电极(4)与大地连接。2个超声波发生器(501、502)分别与2个压电换能器(601、602)连接。2个压电换能器(601、602)分别与变幅杆(7)、连接杆(8)连接。两套超声波发生器(501、502)产生的超声波场相互垂直，所产生的高频声场有助于提高低频声场的机械、空化效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体工业废水处理反应器。
背景技术
随着工业化的发展，环境和水污染已成为一个全球关注的问题。废水种类繁多，成分复杂，可生化性差，稳定性好且有毒，这类废水若没有得到控制或处理，必将对环境和人类的健康造成严重的危害。采用传统常规的废水处理方法存在着有毒有害的高分子有机物处理效果不佳、周期长、成本高等问题。这迫切地需要开发一种经济、简便、高效、实用且无二次污染并可以处理多种污染物的方法。而低温等离子体废水处理技术是已经被科学实验证明了的具有非常独特优势的行之有效的新型废水处理新技术，具有高能电子、紫外光、臭氧等多因素的综合作用，是集光、电、化学等多种氧化于一体的新型水处理技术。该技术具有应用范围广，几乎可以无选择的氧化高浓度、毒性大、常规方法难降解的有机废水，处理效率高，氧化速率快，二次污染少等优点，尤其在难降解有毒废水处理方面有着明显的优越性，被誉为21世纪最具发展前途的废水处理新技术。但是，目前低温等离子体技术处理废水的效率还比较低，这主要在于低温等离子体水处理反应器，该装置是将电能转化成化学能的设备，是低温等离子体废水处理技术的核心。为了提高废水处理的效率，尽可能增大等离子体与水接触的面积，目前主要采取以下措施：一是采用鼓泡塔法和布气板法在水中产生气泡，如专利201210508773.1“一种多级鼓泡氧化塔式污水处理反应器”，但该专利的技术方案存在布气不均匀、混合差等问题；二是采用喷雾或水膜法增加等离子体与废水接触的面积，如专利EP94116647.3“脉冲放电等离子体水处理方法及装置”，但是该专利的废水处理量较小；三是低温等离子体技术与催化剂结合，如专利201310126853.5“一种污水处理光催化反应器”，但是催化剂会带来二次污染。因此在现有的低温等离子体废水处理技术基础上研发容量大、高效率、低损耗的废水处理反应器，尽早使该技术废水处理满足实际工程的需要，彻底解决国内外废水处理的技术难题，这对环境保护和提高人们生活质量具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术鼓泡塔法、喷雾法和光催化的问题，提出一种等离子体协同超声空化效应废水处理反应器。本发明利用等离子体兼具高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光分解三种作用的特点，并利用超声波的空化效应，在废水中产生气泡，增大等离子体与废水接触的面积，实现连续高效大流量水处理，提高等离子体废水处理效率。本发明应用范围广且处理废水无选择，具有容量大、效率高、低损耗、无二次污染、运行可靠等优点。同时，在废水处理过程中，除空化作用外，超声波还可产生以絮凝、搅拌混合、机械、化学和热等作用，提高等离子体污水处理的效率，增强污水处理的效果。
本发明等离子体协同超声空化效应废水处理反应器，包括线-板式气液两相放电反应器、高压脉冲电源、线电极、板电极、超声波发生器和压电换能器。所述的高压脉冲电源与线电极连接。所述的线电极放置在线-板式气液两相放电反应器内部的顶部。所述的板电极放置在线-板式气液两相放电反应器内部的底部，板电极与大地连接。所述的超声波发生器和压电换能器均优选设置为2个。2个超声波发生器分别与2个压电换能器连接。2个压电换能器分别与变幅杆和连接杆连接。所述的变幅杆从线-板式气液两相放电反应器的顶部穿入线-板式气液两相放电反应器内部,将机械振动的振幅放大,使能量集中在较小的面积上，产生聚能作用。所述的连接杆位于线-板式气液两相放电反应器的底部外侧。所述的连接杆的作用是传递超声波的冲击力。
所述的线-板式气液两相放电反应器为圆柱形，在该反应器的上部和下部开有进水口和出水口。出水口位于线电极的下方，进水口位于板电极的上方。所述的反应器的直径和高度均为入/2的整数倍，入为超声波波长。目的在于在容器壁上发生全反射形成混响场，增强超声波的空化效应。
所述的高压脉冲电源的参数为幅值电压为10-20kV、脉冲前沿上升时间为30-50ns、10-20A、脉宽100-200ns、脉冲频率10-100kHz。这种脉冲前沿陡峭、脉冲宽度窄的高压电源能够产生持续稳定的低温等离子体。
所述的电极为线-板式，线电极连接高压脉冲电源，板电极接地。所述的线电极为镍铬合金丝，直径为30-50μm。所述的线电极放置在线-板式气液两相放电反应器的顶部，距离待处理水面0.1-5mm。所述的板电极为不锈钢制作，其形状为圆形，板电极的直径与线-板式气液两相放电反应器的内径相等，放置在线-板式气液两相放电反应器的底部，板电极表面涂覆氧化铝陶瓷，目的在于提高不锈钢的耐腐蚀性。所述的线电极与高压脉冲电源连接。所述的板电极通过导线与大地连接。
两个所述的超声波发生器分别为变幅杆浸入式超声波发生器和清洗槽式超声波发生器，目的在于形成一个双频混响场，增大超声波的空化效应。所述的变幅杆浸入式超声波发生器的频率范围为0.5-1MHz，目的在于产生良好的传质效果。所述的变幅杆浸入式超声波发生器与第一压电换能器连接，第一压电换能器与变幅杆连接。所述的变幅杆从线-板式气液两相放电反应器的顶部中间位置伸入到线-板式气液两相放电反应器内部、待处理废水的中下部。所述的清洗槽式超声波发生器的频率范围为20-30kHz，目的在于产生良好的机械效应和空化效应。所述的清洗槽式超声波发生器与第二压电换能器连接，第二压电换能器与连接杆连接，连接杆放置在线-板式气液两相放电反应器的底部。所述的两套超声波发生器产生的超声波场相互垂直，所产生的高频声场有助于提高低频声场的机械、空化效应。
本发明可以采用空化效应检测设备测量超声波空化效应的强度，采用等离子体产率检测设备对等离子体产率进行测量。空化效应检测设备放置在线-板式气液两相放电反应器的中上部，等离子体产率检测设备在空化效应检测设备的下面。空化效应检测设备采用碘释放法测量超声波空化效应的强度。所述的等离子体产率检测设备采用光谱法对等离子体产率进行测量。
本发明废水处理反应器的工作原理及工作过程如下：
本发明的废水处理反应器的工作原理是，超声波的空化作用使废水中产生大量的气泡，高压脉冲电源在空气和水中气泡中发生脉冲电晕放电，产生具有高活性的电子、原子、分子和自由基，与废水中有机、无机污染物分子进行碰撞和反应，使污染分子键断裂，形成低毒或无毒的小分子化合物。具体作用机理是借助气、液混合相放电途径产生低温等离子体，利用其中高能电子辐射作用、臭氧氧化作用、紫外光分解作用等三种作用对废水进行处理。经过沉淀过滤处理过的废水由进水口进入本发明的反应器后，超声波发生器发出的超声波在废水中发生空化作用，在废水中产生大量的气泡。高压脉冲电源施加的高压脉冲在线电极和板电极之间，在空气和气泡中发生脉冲电晕放电，产生与废水大面积接触的等离子体，等离子体通过高能电子、紫外光、臭氧等综合作用对废水进行处理，处理后的废水经线-板式气液两相放电反应器的出水口流出。
本发明提出的一种等离子体协同超声空化效应废水处理反应器，具有以下优点：
1、本发明在处理废水方面应用范围广且处理废水无选择。且具有容量大、效率高、低损耗、无二次污染、运行可靠等优点。
2、本发明利用超声波空化效应在废水中产生气泡，布气均匀，增大了脉冲电晕放电等离子体的产率。
3、本发明利用超声波的絮凝、搅拌混合、机械、化学和热等作用，能够有效地加强等离子体污水处理技术的效率和效果。
4、本发明结构简单、安装方便、使用维护简便，降低了运行成本。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图中：1反应器、2高压脉冲电源、3板电极、4线电极、501变幅杆浸入式超声波发生器、502清洗槽式超声波发生器、601第一压电换能器、602第二压电换能器、7变幅杆、8、连接杆、9进水口、10出水口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明等离子体协同超声空化效应废水处理反应器包括线-板式气液两相放电反应器1、高压脉冲电源2、线电极3、板电极4、变幅杆浸入式超声波发生器501、清洗槽式超声波发生器502、第一压电换能器601和第二压电换能器602。所述的线-板式气液两相放电反应器1为圆柱形，其直径和高度均为入/2的整数倍，入为超声波波长。线-板式气液两相放电反应器1竖直放置，开有进水口9和出水口10，进水口9在反应器1的下部，位于板电极4的上方；出水口10在反应器1的上部，位于线电极3的下方。水由泵送至位于线-板式气液两相放电反应器1下部的进水口9。所述的高压脉冲电源2的幅值电压为10-20kV、上升时间为30-50ns，10-20A、脉宽100-200ns，脉冲频率10-100kHz，高压脉冲电源2与线电极3连接，所述的线电极3放置在线-板式气液两相放电反应器1内部的顶部。所述的板电极4放置在线-板式气液两相放电反应器1内的底部，板电极4与大地连接。
所述的变幅杆浸入式超声波发生器501的频率范围为0.5-1MHz，变幅杆浸入式超声波发生器501与第一压电换能器601连接，第一压电换能器601与变幅杆7连接。所述的变幅杆7的一端从线-板式气液两相放电反应器1的顶部的中间插入线-板式气液两相放电反应器1内部，位于待处理废水的中下部。所述的清洗槽式超声波发生器502的频率范围为20-30kHz，清洗槽式超声波发生器502与第二压电换能器602连接，第二压电换能器602与位于线-板式气液两相放电反应器1底部外侧的连接杆8连接。
本发明废水处理反应器的工作过程如下：经过沉淀过滤处理过的废水由进水口9进入本发明反应器后，超声波发生器发出的超声波在废水中发生空化作用，产生大量的气泡。高压脉冲电源施加的高压脉冲在线电极3和板电极4之间发生脉冲电晕放电，在空气和气泡中产生与废水大面积接触的等离子体，等离子体通过高能电子、紫外光、臭氧等综合作用对废水进行处理，处理后的废水经线-板式气液两相放电反应器1的出水口10流出。
Claims (1)
1.一种等离子体协同超声空化效应废水处理反应器，其特征在于：所述的废水处理反应器包括线-板式气液两相放电反应器(1)、高压脉冲电源(2)、线电极(3)、板电极(4)、超声波发生器、压电换能器；所述的高压脉冲电源(2)与线电极(3)连接；所述的线电极(3)放置在线-板式气液两相放电反应器(1)内的顶部；所述的板电极(4)放置在线-板式气液两相放电反应器(1)的底部，板电极(4)与大地连接；2个超声波发生器分别与2个压电换能器连接；
2个所述的超声波发生器分别为变幅杆浸入式超声波发生器(501)和清洗槽式超声波发生器(502)；变幅杆浸入式超声波发生器(501)和第一压电换能器(601)连接，第一压电换能器(601)与变幅杆(7)连接；所述的清洗槽式超声波发生器(502)与第二压电换能器(602)连接，第二压电换能器(602)与位于线-板式气液两相放电反应器(1)底部外侧的连接杆(8)连接；所述的变幅杆(7)的一端从线-板式气液两相放电反应器(1)的顶部的中间插入线-板式气液两相放电反应器(1)内部，位于待处理废水的中下部；
所述的线-板式气液两相放电反应器(1)为圆柱形，开有进水口(9)和出水口(10)；进水口(9)在线-板式气液两相放电反应器(1)的下部，位于板电极(4)的上方，出水口(10)在线-板式气液两相放电反应器(1)的上部，位于线电极(3)的下方；所述的线-板式气液两相放电反应器(1)的直径和高度为λ/2的整数倍，λ为超声波波长；
所述线电极(3)距离线-板式气液两相放电反应器(1)内的水面0.1-5mm，为镍铬合金丝制作；所述的板电极(4)为圆形，其直径与线-板式气液两相放电反应器的内径相等，表面涂覆氧化铝陶瓷，为不锈钢制作；
两个超声波发生器产生的超声波场相互垂直构成直角。
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