CN104211137A - 一种等离子体水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气液两相放电的等离子体水处理装置，该装置包括供气单元和等离子体发生器。所述等离子体发生器包括高压电源、高压电极和放电腔体。所述放电腔体前端接进气口，进气口设有单向阀，后端开放与待处理的水接触；所述高压电极外部设有玻璃罩作为介质。工作时，供气单元将空气通入放电腔体，腔体尾部为水相，前部为气相，高压电极在混合两相的环境下，通过高压放电产生等离子体。本装置采用气液两相放电，既保留了传统气相放电易于产生的优点，又增加了放电产物与液体的接触面，放电产生的电场、紫外辐射、氢氧自由基、不同激励状态下的氧原子等活性粒子能够快速直接作用于液体。
Description
技术领域
本发明涉及水污染防治领域，特别涉及一种等离子体水处理装置。
背景技术
近年来，随着我国经济的高速发展，产生了大量对环境有害的废水，饮用水源受到严重污染，并呈不断发展趋势，直接影响到社会生产和人民生活，深度水处理技术的开发和利用因而越来越受到广泛关注。
常用的水处理方法有：沉淀物过滤法、硬水软化法、活性炭吸附法、去离子法、逆渗透法、超过滤法、蒸馏法、紫外线消毒法、生物化学法。然而这些方法或效率较低，或成本较高，或会产生新的有毒物质。
在民用领域，水产养殖、鱼缸观赏等最常见的是用增氧器增加水中的含氧量。但是增氧器只能增加含氧量，而对水中滋生的细菌微生物等没有任何作用；肉制品、水果等保鲜，最常见的是冷藏手段，但是冷藏需要较高的成本；清洗水果、蔬菜等食品，最常见的是使用清水，但是仍然会有农药、消毒液等残留。
研究表明，低温等离子体技术对实现污水净化，改善水质有着十分显著的作用。等离子体可以产生电场、紫外辐射、氢氧自由基、不同激励状态下的氧原子等粒子，可以高效地去除微生物，细菌等有害物质，且不会产生新的有毒物质。目前，在一些发达国家，已经采用等离子体净水技术，取代传统的氯化法净水技术。
现有的利用放电等离子体对污水进行处理的方法和技术中，大多将高压电极位于液面以上，不与液面直接接触。等离子体直接作用于气体，其放电产物再进一步与液体相作用。由于放电气体中大部分活性粒子的寿命很短，其氧化作用无法得到充分利用。另外，这些方法中，放电电压不是加在水上，高电压对水中杂质的活化、极化和中性化作用并不产生很大影响，从而导致了这些方法水处理效率低下。还有一些水处理装置净水效率较高，但是结构复杂，成本较高。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种气液两相放电的等离子体水处理装置；
所述装置包括供气单元和等离子体发生器，其特征在于：所述供气单元用于将空气导入所述等离子体发生器的放电腔体内；所述等离子体发生器包括高压电极和放电腔体，所述高压电极置于放电腔体内，工作时，放电腔体一端为水相，另一端气相，高压电极在水气混合两相的环境下，通过高压放电产生等离子体气体。
本发明所述的装置产生了以下有益效果：(1)本发明利用空气放电产生的等离子体，不仅能够向水中输送氧气，还可以产生电场，紫外辐射，产生氢氧自由基，不同激励状态下的氧原子等活性粒子，氧气可以供给呼吸，活性粒子高效地去除微生物，细菌等有害物质；(2)本发明采用单向阀确保水流单向导通，将鱼缸或水槽开孔，等离子体发生器可以放在底部或侧壁，能够调节等离子体发生器伸进水中的距离，不仅可以提高处理效果，还可以方便地做成景观；(3)本装置采用气液两相放电，既保留了传统气相放电易于产生的优点，又增加了放电产物与液体的接触面，放电产生的物理效应和各种活性粒子能够快速直接作用于液体，同时还可以产生水合电子、氢原子等其他活性粒子，对水中的杂质也有较好的活化、极化和中性化作用，具有非常好的水处理效果；(4)通过调节空气泵的功率和高压电源的频率或电压，使得空气流量和等离子体产生的速度可以同步调节，这样会使得活性粒子密度很高，在很短的时间内就可以对水有很好的净化效果；(5)等离子体发生装置在大气压下进行操作，无需真空腔，设备简单，操作方便，价格低廉，而且等离子体处理过后不会产生毒性残留。(6)等离子发生器的高压电极与水做到了良好的电气绝缘，使得装置非常安全，可以应用于多种民用领域。
附图说明
图1为本发明等离子体水处理装置的结构示意图，图中包括供气单元100和等离子体发生器200；
图2为本发明第一实施例的水处理装置的结构示意图，图中包括供气单元100、等离子体发生器200、塑料导管101、单向阀102、高压电源201、放电腔体202、高压电极203、进气口204，玻璃罩205，密封盖206和外壳207；
图3为本发明中第二实施例的水处理装置的结构示意图，图中包括供气单元100、等离子体发生器200、塑料导管101、单向阀102、高压电源201、放电腔体202、高压电极203、进气口204，玻璃罩205，密封盖206，外壳207和电路板208；
具体实施方式
就本发明而言，最基础的实施例在于提出了：一种气液两相放电的等离子体水处理装置，其特征在于：该装置包括供气单元和等离子体发生器。所述等离子体发生器包括高压电源、高压电极和放电腔体。工作时，放电腔体尾部为水相(以气流方向为参考)，前部为气相，高压电极在混合两相的环境下，通过高压放电产生等离子体气体。
该实施例中，不仅能够向水中输送氧气，还可以产生电场，紫外辐射，产生氢氧自由基，不同激励状态下的氧原子等活性粒子。氧气可以供给呼吸，活性粒子高效地去除微生物，细菌等有害物质。本发明采用单向阀确保水流单向导通，将鱼缸或水槽开孔，等离子体发生器可以放在底部或侧壁，能够调节等离子体发生器伸进水中的距离，不仅可以提高处理效果，还可以方便地做成景观；采用气液两相放电，既保留了传统气相放电易于产生的优点，又增加了放电产物与液体的接触面，放电产生的物理效应和各种活性粒子能够快速直接作用于液体，同时还可以产生水合电子、氢原子等其他活性粒子，对水中的杂质也有较好的活化、极化和中性化作用，具有非常好的水处理效果；等离子发生器的高压电极与水做到了良好的电气绝缘，使得装置非常安全，可以应用于多种民用领域。
就该实施例而言，空气如何产生，并不影响该实施例的技术效果。
下面结合附图，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。
如图1所示，本发明的空气净化装置包括供气单元100和等离子体发生器200。
供气单元100主要组成部分是空气泵，可以将外界空气通入装置中，产生空气气流。空气发生器100中可以设置空气过滤管道，将外界空气先过滤净化，再利用空气泵将空气通入塑料导管101。塑料导管101可以设计很长，在靠近其出口的位置设置单向阀102，单向阀102确保在不工作时，水也不会倒灌进入空气泵。空气被通入塑料导管，经单向阀，再进入等离子体发生器200。
等离子体发生器200可以包括高压电源、高压电极和放电腔体。高压电源与高压电极连接，为等离子体发生器200提供激励电源；所述放电腔体尾端完全开放(以气流方向为参考)，前端密封，前部设有进气口204，外面包裹着一层外壳207，外壳207直接接地；等离子体发生器200的进气口204与供气单元100的塑料导管101相连；高压电极203置于放电腔体中，高压电极外部设有玻璃罩205作为介质，高压电极在高压条件下通过介质阻挡放电产生等离子体；气液两相环境下产生的等离子体与气体通路中的空气混合后，直接与水接触。
下面进行具体说明。
实施例1
请参阅图2，本实施例中的空气净化装置包括供气单元100和等离子体发生器200。
供气单元100，可以包括空气泵，塑料导管101和单向阀102。空气泵可以将外界空气通入装置中，产生空气气流；空气气流通入塑料导管101。为了提高通入空气的质量，空气泵中可以设置空气过滤管道，将外界空气先过滤净化。塑料导管101根据需要可以设计很长，在靠近其出口的位置设置单向阀102，单向阀102确保在不工作时，水也不会倒灌进入空气泵。空气被通入塑料导管，经单向阀，再进入等离子体发生器200。
本发明实施例中的空气泵100的空气流量可调，通过调节空气泵100的空气流量，就可以调节等离子体水处理装置的混合气体喷出速度。具体实现时可以通过调节空气泵100的功率来改变空气流量的大小，功率增大时空气流量增加，功率减小时空气流量减小。更进一步的，通过调节高压电源的频率或电压，使得空气的流量和等离子体产生的速度可以同步调节，这样会使得活性粒子密度很高，在很短的时间内就可以对水有很好的净化效果；
等离子体发生器200与塑料导管101密闭连接，等离子体发生器200包括高压电源201、放电腔体202、高压电极203、进气口204，玻璃罩205，密封盖206和外壳207。下面分别进行详细说明。
高压电源201
高压电源201用于为等离子体发生器200提供高压电，以激励电极电离空气而产生低温等离子体。所述高压电源201可以为正弦高压电源，频率范围为50Hz到100kHz。就该实施例而言，实际应用中，正弦高压电源电压峰-峰值选择范围在1kV到10kV，频率范围不高于100kHz，频率过低则放电不稳定，频率过高则会导致等离子体发热现象明显。
高压电源也可以是脉冲高压电源，其脉冲频率不高于100kHz。脉冲高压电源的频率越高，等离子体的处理速度越快，而且放电电压越低，但等离子体温度会随频率升高。就该实施例而言，在脉冲高压电源激励下，活性粒子的生成效率更高，同时由于降低了总的放电功率，使得等离子体温度进一步降低。
本发明实施例中可以根据空气的流量来动态调整高压电源的频率或电压，以使得等离子体的处理速度与空气的流量相适应。具体而言，对脉冲电源而言，空气流量越大，则高压电源的频率越高，相反则越低；对正弦高压电源而言，空气流量越高，则高压电源的电压越高，相反则越低。具体实现时可以在塑料导管101处增加一个传感器用于检测空气流量，同时设置一个控制器，控制器根据接收到的传感器检测到的空气流量相应调节高压电源的电压或频率。
放电腔体202可以采用玻璃、陶瓷等绝缘材料，形状可以是筒形、方形、长方形等。放电腔体202内设置有高压电极203。放电腔体尾端完全开放，前端密封，前部设有进气口204。高压电极203置于气体通路内，放电腔体的进气口与空气泵100的塑料导管101密闭连接。气体通过进气口进入腔体，高压电极203在气体通路内进行高压放电，产生等离子体，所属反应之后的混合气体直接与水接触。外壳的前端设置有密封盖206，外面包裹着外壳207。
高压电极203设置于放电腔体内，优选的，其被玻璃罩205包裹，本发明实施例中的高压电极为针状，且设置有大量的放电尖刺，更便于产生电晕放电。高压电极203的内径和长度可以改变。
进气口204与出气端口300的塑料导管301密闭连接。
玻璃罩205一方面确保高压电极203不与水接触(既能保护电极不被侵蚀，还能使水与高压隔绝，确保安全)，另一方面作为介质参与介质阻挡放电，玻璃罩205尾部与密封盖206密闭连接。
密封盖206将放电腔体与高压电极之间的空隙密封，确保整个等离子体发生器气密性良好；采用良好的绝缘材料，确保外壳与高压电极之间电气绝缘良好。
外壳207选用金属等导电材料，并且直接接地。
所述本实施例中的高压电极203可以电离空气产生等离子体，不仅能够向水中输送氧气，还可以产生电场，紫外辐射，产生氢氧自由基，不同激励状态下的氧原子等活性粒子，氧气可以供给呼吸，活性粒子高效地去除微生物，细菌等有害物质。对净化污水，改善水质有非常显著的作用。将本发明的等离子体水处理装置放在鱼缸中运行一段时间后，对鱼缸中的水进行氧气浓度和氧负离子浓度检测，发现二者均有升高。进一步检测发现水中的细菌及其他有毒物质均明显降低。通过光谱分析发现，其中O3，H2O2，O2 -，OH-，H+，HO2 -等活性粒子是杀菌的关键粒子，而O2 -，OH-，HO2 -，不同激发态的氧等短寿命高活性的粒子发挥了重要的作用。
本发明实施例中的等离子体水处理装置，通过供气单元100为等离子体发生器200的放电提供反应气体，电极置于放电腔体内，通过介质阻挡放电产生等离子体；利用单向阀确保水流单向导通，将鱼缸或水槽开孔(如图2所示)，等离子体发生器和出气端口可以放在底部或侧壁，还可以调节伸进水中的距离，不仅可以提高处理效果，还可以方便地做成景观；采用气液两相放电，既保留了传统气相放电易于产生的优点，又增加了放电产物与液体的接触面，放电产生的物理效应和各种活性粒子能够快速直接作用于液体，同时还可以产生水合电子、氢原子等其他活性粒子，对水中的杂质也有较好的活化、极化和中性化作用，具有非常好的水处理效果；等离子体发生装置在大气压下进行操作，无需真空腔，设备简单，操作方便，价格低廉，而且等离子体处理过后不会产生毒性残留。通过等离子体中的紫外辐射和大量活性粒子，实现对水中污染物的去除，同时增加水中的含氧量和氧负离子的浓度。
实施例2
本实施采用多个间距均匀的高压电极产生介质阻挡放电(图3中只表示了平面的三个电极，实际上可以用更多的电极做成立体的矩阵式大尺度放电装置)，每个电极外依然设有玻璃罩203，玻璃罩外是外壳202，所有的外壳均接地；并且每个电极和每个玻璃罩尾部均与电路板208密闭连接，电路板208内部有导电板，导电板上部与所有高压电极203相连，下部与高压导线207相连，高压导线207选用硬质粗铜线，电路板208与高压导线207的外部均用橡胶绝缘材料确保任何时候高压电都与水做到良好的隔绝。通过这样的调整，在第一实施例中单电极产生小尺度等离子体，在此实施例中多电极产生矩阵式大尺度等离子体，大尺度等离子体产生的电场、紫外辐射等物理作用将会更加明显，各种活性粒子也将更多更密集，从而大幅提高了处理效率。
等离子体与水溶液相互作用的仿真研究表明，空气等离子体中的一些粒子，如O3，N2O5，N2O，H2O2，HNO2，HNO3，它们与水接触后会发生强烈的化学反应，其中的臭氧和氮氧化物会被去除，而且可以产生负离子。比如NO，O3，HNO3等在水中可以通过一系列反应生成负离子O3 -，NO3 -，O2 -等。这些活性粒子都可以高效的改善水质。
本发明装置在开始工作时，应先开启空气泵通入气体，再开启高压电源产生等离子体；在停止工作时应先关闭高压电源，再关闭空气泵。尽管如此，为了避免意外，本装置还是坚持做到了各处良好的电气绝缘。
以上是对本发明的等离子体水处理装置的介绍，但本领域技术人员应当明了，本发明的高压电极203并不限于针状，例如还可以是螺旋形、S形网状等，任何可以电离空气产生等离子体的电极均可。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上对本发明所提供的等离子体水处理装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种气液两相放电的等离子体水处理装置，所述装置包括供气单元和等离子体发生器，其特征在于：所述供气单元用于将空气导入所述等离子体发生器的放电腔体内；所述等离子体发生器包括高压电极和放电腔体，所述高压电极置于放电腔体内，工作时，放电腔体一端为水相，另一端气相，高压电极在水气混合两相的环境下，通过高压放电产生等离子体气体。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述放电腔体为水相的一端开口，为气相的一端设有进气口，气体通过进气口进入腔体。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述等离子体发生器还包括：高压电源，所述高压电源与高压电极相连，所述高压电源的电压和频率能够调节。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，优选的，所述等离子体发生器还包括：密封盖和外壳；密封盖将放电腔体与高压电极之间的空隙密封，外壳包裹着放电腔体并直接接地。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高压电极外部设有玻璃罩，所述玻璃罩确保高压电极不与水接触，作为介质使高压电极在高压条件下通过介质阻挡放电产生等离子体。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述供气单元包括空气泵、导管和单向阀，所述供气单元通过空气泵将空气导入导管，经单向阀，再进入等离子体发生器中。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放电腔内包括一个或者多个高压电极，多个高压电极组成矩阵式介质阻挡放电结构，高压电极可以是针状、螺旋形、S形网状任何可以电离空气产生等离子体的电极，所述高压电极上设置有多个用于降低放电起始电压的放电突起，高压电极的内径和长度能够改变。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述等离子体发生器可以置于所述装置底部或侧壁，所述等离子体发生器能够伸到水中不同的距离中。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述放电腔体和密封盖由玻璃或陶瓷等绝缘材料制作而成，所述外壳由金属等导电材料制作而成。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述供气单元通过调节空气泵的功率来改变空气的流量，从而调节等离子体水处理装置的混合气体喷出速度。
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