CN104709971A - 一种采用交流电源进行微等离子体弧放电催化水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用交流电源进行微等离子体弧放电催化水处理方法：在待处理液中加入浓度为0.5-50g/L的添加剂；打开通风系统及磁力搅拌系统；将电极Ⅰ和电极Ⅱ插入到反应池中；将含有添加剂的待处理液加入到所述反应池中；接通所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ之间的交流电源，并逐渐升高电压，使所述电源在所述电源的参数下稳定放电；分析水处理效果；水处理结束。本发明采用交流电源下的微弧放电催化水处理技术，则可让两极交替发生液相微弧放电，增加水处理区域。另外，正负电压的交替对放电电极产生适当的停歇和钝化也能缓解电极腐蚀，形成更利于放电-催化的膜层结构，且交流电源相比单极性脉冲电源更简易、易获得，并且能耗更低。
Description
技术领域
本发明属于环境工程水处理技术领域，涉及液相等离子体放电催化水处理方法。
背景技术
在电场作用下，液相放电过程产生的等离子体中含有大量高能活性粒子，对许多分子有破坏作用。这些高能活性粒子与催化剂相结合，能有效提高放电处理效果，促进有机分子分解，因而成为污染处理技术研究和开发的热点。
微弧放电，以钛为阳极的“等离子体---催化”模式，即结合电极原位生成的二氧化钛，形成一个自然集成的放电催化协同系统。此方法将等离子体与催化剂结合起来，更充分发挥放电过程中产生高能粒子、高能环境的作用，呈现出反应的多样性、协同性及催化剂对OH自由基生成反应的良好选择性。
严志宇等公开了一种微等离子体弧放电催化水处理方法，将二氧化钛催化剂原位生成于放电的电极上，实现了单极脉冲电源下液相放电与催化更好的协同作用，可用于废水中有机污染物的降解。任伟正等采用了550V直流电源对艳红B溶液进行了放电处理，最大脱色率可达93％。上述研究中多采用直流或直流脉冲电源进行微弧放电，液相等离子体-催化协同作用只发生在阳极及其附近区域，反应中产生大量的高能基团，如OH自由基也聚集在阳极区域，而阴极则只发生还原反应。因此这种水处理技术反应区域小，效率较低，且阳极腐蚀较快。
发明内容
根据上述提出的现有技术的反应区域小，效率较低，且阳极腐蚀较快等技术问题，而提供一种采用交流电源进行微等离子体弧放电催化水处理方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种采用交流电源进行微等离子体弧放电催化水处理方法，具有如下步骤：
1)在待处理液中加入添加剂；
2)打开通风系统及磁力搅拌系统；
3)将电极Ⅰ和电极Ⅱ插入到反应池中；
4)将含有添加剂的待处理液加入到所述反应池中；
5)接通所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ之间的电源，并逐渐升高电压，使所述电源在所述电源的参数下稳定放电；
6)分析水处理效果；
7)水处理结束，
上述方法根据待处理液的状态不同可分为静态处理方法和动态处理方法，
所述静态处理方法具有如下步骤：
1)在待处理液中加入添加剂；
2)打开通风系统及磁力搅拌系统；
3)将电极Ⅰ和电极Ⅱ插入到反应池中；
4)将含有添加剂的待处理液加入到所述反应池中；
5)接通所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ之间的电源，并逐渐升高电压，使所述电源在所述电源的参数下稳定放电；
6)分析水处理效果：定时取样化验待处理液的水质变化，按预先的计算处理时间，并结合化验结果，确定处理结束时间；
7)水处理结束：逐渐降低电源电压至10-20V后，再依次关闭电源、磁力搅拌系统和通风系统，
所述动态处理方法具有如下步骤：
1)在待处理液中加入添加剂：在待处理液体输入管道里加入添加剂；
2)打开通风系统及磁力搅拌系统；
3)将电极Ⅰ和电极Ⅱ插入到反应池中；
4)将含有添加剂的待处理液加入到所述反应池中；
5)接通所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ之间的电源，并逐渐升高电压，使所述电源在所述电源的参数下稳定放电；
6)分析水处理效果：分析从反应池流出的处理后的水质，根据化验结果，调节液体进出反应池的流量，使处理效果满足要求；
7)水处理结束：停止向所述反应池中输入待处理液，逐渐降低电压至10-20V后，再依次关闭电源、磁力搅拌系统及通风系统，
所述添加剂的浓度为0.5-50g/L，所述添加剂为硅酸钠、碳酸钠、铝酸钠或硫酸钠中的一种或数种。
所述电极Ⅰ的材质与所述电极Ⅱ的材质中至少有一种含有钛元素。
所述电源是电压峰值为80V-1kV、交换频率为10-3-105Hz的交流电源，将交流电源施加在所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ上，可使所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ都放电，增加了放电区域、减缓腐蚀。
所述电极Ⅰ的材质采用工业纯钛，钛铝合金或其它钛合金中的一种，所述电极Ⅱ的材质采用工业纯钛，钛铝合金、其它钛合金或工业纯铝中的一种，通过所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ对反应体系施加电压，使含钛元素的电极表面能够原位生成负载型催化剂进行放电催化，
所述工业纯钛的牌号为TA1，TA2或TA3中的一种；
所述钛铝合金是铝含量为2.0％～80％，余量为钛和其他不可避免的微量元素的钛铝合金，作为优选，所述钛铝合金的牌号为TA4、TA5、TA6、TA7或TA8中的一种；
所述其他钛合金为钛含量大于80％以上的钛合金，作为优选，所述其他钛合金的牌号为TB1、TB2、TC1、TC2、TC3、TC4、TC5、TC6、TC7、TC8、TC9或TC10中的一种；上述牌号参考国标(GB 3620.1-2007)，
所述工业纯铝的牌号为L1、L2、L3、L4、L5、L6或L7中的一种，上述牌号参考国标(GB/T 16474-2011)。
所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ之间的电极间距为2-50mm。
所述电极Ⅰ位于待处理液中的电极表面积为5mm2-1dm2；所述电极Ⅱ位于待处理液中的电极表面积为5mm2-1dm2。
所述电极Ⅰ为针状电极或板状电极；所述电极Ⅱ为针状电极或板状电极。
上述各参数应根据处理系统结构、待处理液的水质，按照动力学反应速率常数分析、以及放电稳定性和实际处理效果，确定其最佳值。
本发明具有以下优点：
本发明采用交流电源下的微弧放电催化水处理技术，则可让两极交替发生液相微弧放电，使得两电极区域都能产生液相等离子体-催化作用，相比于直流电源单极放电，本发明可增加水处理区域。另外，正负电压的交替对放电电极产生适当的停歇和钝化也能缓解电极腐蚀，形成更利于放电-催化的膜层结构，且交流电源相比单极性脉冲电源更简易、易获得，并且能耗更低。
基于上述理由本发明可在环境工程水处理技术等领域广泛推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的具体实施方式中的装置结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的具体实施方式中的装置结构示意图，所述装置包括反应池4，所述反应池4下部设有磁力搅拌系统6，所述反应池4内装有待处理液1，所述搅拌系统6磁力控制用于搅拌所述待处理液1的搅拌子7，所述装置还包括电极Ⅰ2和电极Ⅱ3，所述电极Ⅰ2和所述电极Ⅱ3之间连接有交流电源5。
实施例1
一种采用交流电源进行微等离子体弧放电催化水处理方法，具有如下步骤：
1)在待处理液1中加入添加剂；
2)打开通风系统及磁力搅拌系统6；
3)将电极Ⅰ2和电极Ⅱ3插入到反应池4中；
4)将含有添加剂的待处理液1加入到所述反应池4中；
5)接通所述电极Ⅰ2和所述电极Ⅱ3之间的电源，并逐渐升高电压，使所述电源在所述电源的参数下稳定放电；
6)分析水处理效果：定时取样化验待处理液1的水质变化，按预先的计算处理时间，并结合化验结果，确定处理结束时间；
7)水处理结束：逐渐降低电源电压至10-20V后，再依次关闭电源、磁力搅拌系统6和通风系统，
所述添加剂的浓度为15g/L，所述添加剂为硅酸钠，
所述电极Ⅰ2的材质为铝含量为30％，余量为钛和其他不可避免的微量元素的钛铝合金，所述电极Ⅱ3的材质为工业纯铝，牌号为L1，
所述电源是电压峰值为500V、交换频率为50Hz的交流电源5。
所述电极Ⅰ2和所述电极Ⅱ3之间的电极间距为15mm。
所述电极Ⅰ2位于待处理液1中的电极表面积为1200mm2；所述电极Ⅱ3位于待处理液中的电极表面积为1200mm2。
所述电极Ⅰ2为板状电极；所述电极Ⅱ3为板状电极。
本实施例中以添加有罗丹明B的蒸馏水模拟待处理液1，所述罗丹明B属氧杂蒽酸性染料，是印染工业及纺织业中常用的染料，且含有苯环，用化学和生物等方法处理该类废水的效果均不理想。罗丹明B溶液的初始浓度为6mg/L，所述待处理液1的含量为300mL。
处理待处理液1的过程中，通过示波器记录和测量电流和电压的变化情况；通过日本岛津紫外-可见分光光度计JascoUV550测量待处理液1的最大吸收波长为540nm处的吸光度变化，以反映罗丹明B溶液的脱色效果，脱色率可达88％。
本实施例中钛铝合金电极与工业纯铝电极共同放电具有其他材质电极放电不可比拟的优点：电极中钛成分所起的放电催化作用不因钛成分的增多或减少而受到实质的影响；铝电极微弧放电中其上发出黄光、光点多且密，而钛电极上的光为白色，弱且较稀疏，在钛铝合金电极上的微弧放电中，根据光的上述特点，可知在放电过程中产生活性基团的主导作用是由于铝成分放电引起的，且在具有基本相同的处理效果的情况下，具有环境友好性：使铝电极最佳放电所需的添加剂比使钛最佳放电时所需的添加剂更环保；在成本方面，由于钛及其合金的成本高于铝，相对于两极都选用钛及其合金电极，钛铝合金与铝的组合电极降低了在工业应用方面的成本。
实施例2
一种采用交流电源进行微等离子体弧放电催化水处理方法，具有如下步骤：
1)在待处理液1中加入添加剂；
2)打开通风系统及磁力搅拌系统6；
3)将电极Ⅰ2和电极Ⅱ3插入到反应池4中；
4)将含有添加剂的待处理液1加入到所述反应池4中；
5)接通所述电极Ⅰ2和所述电极Ⅱ3之间的电源，并逐渐升高电压，使所述电源在所述电源的参数下稳定放电；
6)分析水处理效果：定时取样化验待处理液1的水质变化，按预先的计算处理时间，并结合化验结果，确定处理结束时间；
7)水处理结束：逐渐降低电源电压至10-20V后，再依次关闭电源、磁力搅拌系统6和通风系统，
所述添加剂的浓度为5g/L，所述添加剂为硫酸钠，
所述电极Ⅰ2的材质为工业纯钛，牌号为TA1，所述电极Ⅱ3的材质为工业纯铝，牌号为L2，
所述电源是电压峰值为550V、交换频率为300Hz的交流电源5。
所述电极Ⅰ2和所述电极Ⅱ3之间的电极间距为5mm。
所述电极Ⅰ2位于待处理液1中的电极表面积为600mm2；所述电极Ⅱ3位于待处理液中的电极表面积为600mm2。
所述电极Ⅰ2为针状电极，一共十根；所述电极Ⅱ3为板状电极。
本实施例中以添加有罗丹明B的蒸馏水模拟待处理液1，所述罗丹明B属氧杂蒽酸性染料，是印染工业及纺织业中常用的染料，且含有苯环，用化学和生物等方法处理该类废水的效果均不理想。罗丹明B溶液的初始浓度为6mg/L，所述待处理液1的含量为100mL。
处理待处理液1的过程中，通过示波器记录和测量电流和电压的变化情况；通过日本岛津紫外-可见分光光度计JascoUV550测量待处理液1的最大吸收波长为540nm处的吸光度变化，以反映罗丹明B溶液的脱色效果，脱色率可达90％。
实施例3
一种采用交流电源进行微等离子体弧放电催化水处理方法，具有如下步骤：
1)在待处理液1中加入添加剂；
2)打开通风系统及磁力搅拌系统6；
3)将电极Ⅰ2和电极Ⅱ3插入到反应池4中；
4)将含有添加剂的待处理液1加入到所述反应池4中；
5)接通所述电极Ⅰ2和所述电极Ⅱ3之间的电源，并逐渐升高电压，使所述电源在所述电源的参数下稳定放电；
6)分析水处理效果：定时取样化验待处理液1的水质变化，按预先的计算处理时间，并结合化验结果，确定处理结束时间；
7)水处理结束：逐渐降低电源电压至10-20V后，再依次关闭电源、磁力搅拌系统6和通风系统，
所述添加剂为浓度为20g/L的硅酸钠和浓度为20g/L的碳酸钠的混合液体，体积比为1:1，
所述电极Ⅰ2的材质为铝含量为50％，余量为钛和其他不可避免的微量元素的钛铝合金，所述电极Ⅱ3的材质为工业纯铝，牌号为L3，
所述电源是电压峰值为500V、交换频率为0.1Hz的交流电源5。
所述电极Ⅰ2和所述电极Ⅱ3之间的电极间距为15mm。
所述电极Ⅰ2位于待处理液1中的电极表面积为100cm2；所述电极Ⅱ3位于待处理液中的电极表面积为100cm2。
所述电极Ⅰ2为板状电极；所述电极Ⅱ3为板状电极。
本实施例中以添加有罗丹明B的蒸馏水模拟待处理液1，所述罗丹明B属氧杂蒽酸性染料，是印染工业及纺织业中常用的染料，且含有苯环，用化学和生物等方法处理该类废水的效果均不理想。罗丹明B溶液的初始浓度为6mg/L，所述待处理液的含量为1000mL。
处理待处理液的过程中，通过示波器记录和测量电流和电压的变化情况；通过日本岛津紫外-可见分光光度计JascoUV550测量待处理液1的最大吸收波长为540nm处的吸光度变化，以反映罗丹明B溶液的脱色效果，脱色率可达80％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种采用交流电源进行微等离子体弧放电催化水处理方法，具有如下步骤：
1)在待处理液中加入添加剂；
2)打开通风系统及磁力搅拌系统；
3)将电极Ⅰ和电极Ⅱ插入到反应池中；
4)将含有添加剂的待处理液加入到所述反应池中；
5)接通所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ之间的电源，并逐渐升高电压，使所述电源在所述电源的参数下稳定放电；
6)分析水处理效果；
7)水处理结束，
其特征在于：所述添加剂的浓度为0.5-50g/L，所述添加剂为硅酸钠、碳酸钠、铝酸钠或硫酸钠中的一种或数种，
所述电极Ⅰ的材质与所述电极Ⅱ的材质中至少有一种含有钛元素，所述电源是电压峰值为80V-1kV、交换频率为10-3-105Hz的交流电源。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电极Ⅰ的材质采用工业纯钛，钛铝合金或其它钛合金中的一种，所述电极Ⅱ的材质采用工业纯钛，钛铝合金、其它钛合金或工业纯铝中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ之间的电极间距为2-50mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电极Ⅰ位于待处理液中的电极表面积为5mm2-1dm2；所述电极Ⅱ位于待处理液中的电极表面积为5mm2-1dm2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电极Ⅰ为针状电极或板状电极；所述电极Ⅱ为针状电极或板状电极。
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