CN104925889A - 一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的装置及方法，该装置包括筒状反应器、连通在筒状反应器上部的布水槽、循环缓冲容器、分别连接交流高压电源正负极的棒状高压电极和接地电极，所述的棒状高压电极设置在所述的筒状反应器内，所述的接地电极覆盖在所述筒状反应器的外壁上，所述筒状反应器的内壁上固定有活性炭纤维层，所述活性炭纤维层的表面上设有多孔挡板，所述的循环缓冲容器分别连通设在所述布水槽侧壁上的废水入口和设在所述筒状反应器底部的废水出口形成废水循环管路。本装置设计简单、设备投资低，可充分利用活性炭纤维催化产生的臭氧提高降解效率,同时实现活性炭纤维的再生,可应用于难生化降解有机废水的处理。

Description

一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的装置及方法

技术领域

本发明属于难生化降解有机废水处理领域，具体涉及一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的装置以及使用这种装置进行废水处理的方法。

背景技术

三氯卡班(TCC)作为一种高效、广谱、安全的新型抗菌剂，在医疗消毒剂中有着广泛应用。适用于香皂、香波、沐浴露、洗手液、洗面奶、美容液、去痘霜、洗衣粉、洗衣液、创伤膏、美容化妆品、须用泡沫膏、牙膏、漱口水、抗菌餐具洗涤剂、伤口消毒剂、织物抗菌整理剂、医用消毒剂、纤维纺织品和除腋臭及脚气类产品的杀菌、抑菌和除臭成分。然而，在其生产和使用的过程中，会进入环境水体，对水环境造成污染。作为一种新型的内分泌干扰素，三氯卡班能引起人体肝细胞的DNA损伤，并呈现显著的剂量-效应关系和时间效应关系。其中L02细胞对三氯卡班更为敏感，在低暴露剂量(2.38μmol/L)下就可以引起DNA断裂损伤。在药品和个人护理用品中添加的抗菌化学物质三氯卡班，有可能引发包括癌症、生殖功能障碍和发育异常等病症的诸多问题。而且三氯卡班被列为大量生产的化学物质，对水生生物体也具有潜在的高风险。因此，有必要对水中的三氯卡班进行有效处理。由于三氯卡班的难生化降解，容易在传统的生物法中的活性污泥和废水出水中存留下来，造成环境水体污染。

低温等离子体包括羟基自由基、臭氧、紫外光等活性物质，可有效降解难生化处理的有机废水，降解速率快。介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，能够在大气压下产生大体积、高能量密度的低温等离子体。在大气压下，这种气体放电呈现微通道的放电结构，每个微放电的时间过程都很短暂，寿命不到10ns，而电流密度却很高。线筒式介质阻挡放电产生的等离子体比普通针状电晕放电更多，能产生大量臭氧，放电更加稳定，降解效率也要更高。但是由于介质阻挡放电产生的臭氧利用效率低，矿化效率不好，限制了其应用，因此必须采用一种高效的降解方法对水中的三氯卡班进行降解。

发明内容

本发明的目的是利用低温等离子体协同活性炭纤维技术，在降解和吸附三氯卡班的过程中实现即时再生及改性活性炭纤维，提供了一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的装置及方法，以期解决或缓解三氯卡班所造成的水体污染问题。该方法具有反应条件温和、处理效果好、反应效率高、无二次污染、重复使用效果好等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的装置，该装置包括筒状反应器、连通在筒状反应器上部的布水槽、循环缓冲容器、分别连接交流高压电源正负极的棒状高压电极和接地电极，所述的棒状高压电极设置在所述的筒状反应器内，所述的接地电极覆盖在所述筒状反应器的外壁上，所述筒状反应器的内壁上固定有活性炭纤维层，所述活性炭纤维层的表面上设有多孔挡板，所述的循环缓冲容器分别连通设在所述布水槽侧壁上的废水入口和设在所述筒状反应器底部的废水出口形成废水循环管路。

所述活性炭纤维层中的活性炭纤维用去离子水洗过后在100～130℃的烘箱中烘干，然后设置在筒状反应器的内壁上，并用多孔挡板固定，以层状结构围成一圈。

所述的布水槽与所述的筒状反应器同轴相连。

所述的棒状高压电极沿轴向从布水槽的上部插入筒状反应器内，并固定在布水槽上部的石英板上。所述的棒状高压电极通过橡胶塞固定在石英板上。

所述的循环缓冲容器内设有搅拌器，确保缓冲容器中废水混合均匀；所述的搅拌器为磁力搅拌器。

所述的循环缓冲容器通过管道和蠕动泵连通设在所述布水槽上的废水入口，所述的循环缓冲容器通过管道连通设在所述筒状反应器底部的废水出口。所述筒状反应器的出水采用重力自流方式，减少动力消耗。

所述筒状反应器的顶部在布水槽的底部形成溢流堰，确保废水沿筒状反应器的内壁均匀流下。所述的溢流堰为齿形堰。

所述的棒状高压电极为铝棒；接地极为薄壁铝板。

所述布水槽的下部为凹形弧面使进水分布均匀，所述布水槽的上部开有通气口，保持反应器内压力平衡。

上述筒状反应器、多孔挡板和布水槽的材料均为石英玻璃。

废水通过进水蠕动泵提供的动力进行循环，连通在所述废水进口和循环缓冲容器之间的蠕动泵进水流速为30～50ml/min。

一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的方法，将三氯卡班废水采用蠕动泵通入到上述装置的布水槽内，废水以液膜方式流过设在筒状反应器内壁上的活性炭纤维层，打开交流高压电源电流进行介质阻挡放电，产生低温等离子体，等离子体协同活性炭纤维对三氯卡班废水进行处理。

所述交流高压电源的输出功率为60～100W；进水流速为30～50mL/min；所述的含三氯卡班废水中三氯卡班的浓度为2～20mg/L。

介质阻挡放电等离子体协同活性炭纤维对含三氯卡班废水进行处理的时间为3～18min。

所述的含三氯卡班废水的pH为2～7。

本发明中介质阻挡放电协同活性炭纤维技术其反应时间短、去除效果好、矿化程度高，可在短时间内去除水中的三氯卡班；可以对活性炭纤维进行改性，提高其吸附及催化性能；等离子体能再生活性炭纤维，活性炭纤维重复利用性好，循环利用降解效率更高。

活性炭纤维(ACFs)作为新型的环境功能材料，从20世纪70年代逐步发展，与目前常用的粉末或颗粒状活性炭相比，它具有微孔含量大，孔径小，孔径分布窄，比表面积大；能增强臭氧的矿化与降解效果，提高臭氧的利用效率；对低浓度的吸附质有良好的吸附性能。重要的是，本发明将活性炭纤维放在低温等离子体的环境中，能同时实现活性炭纤维的吸附再生与改性，进一步提高降解效率，增强活性炭纤维的循环利用。等离子体——吸附——催化联用技术处理难降解废水，可通过活性炭纤维吸附来富集有机污染物，同时利用等离子体来降解吸附在活性炭纤维的三氯卡班，达到再生的目的。

本发明的有益效果体现在：

(1)线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维能在较短时间内有效去除水中的三氯卡班，比现在的生物法及化学法有更高的降解效率；

(2)在介质阻挡等离子体反应区域加入活性炭纤维能充分利用介质阻挡放电产生的臭氧提高三氯卡班废水中总有机碳的去除率；

(3)反应器采用线筒式能提高等离子体与活性炭纤维的接触面积，同时产生大量的等离子体，将反应区域维持在一个高浓度臭氧的环境，提高降解效率；

(4)随着介质阻挡放电反应的进行，吸附在活性炭纤维表面的三氯卡班被逐渐降解，线筒式反应器中的活性炭纤维达到再生，可大大提高重复利用率；

(5)经过介质阻挡放电等离子体改性，活性炭纤维的吸附及催化能力得到增强，进一步提高协同降解效率；

(6)充分利用废水的重力自流，减少动力消耗，装置简单易操作。

附图说明

图1为线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班装置的结构图。

图2为筒状反应器和布水槽的俯视图。

图3为三氯卡班降解率随功率的变化曲线。

图4为三氯卡班降解率随活性炭纤维重复利用次数的变化曲线。

图中，1—交流高压电源、2—通气口、3—棒状高压电极、4—布水槽、5—废水入口、6—蠕动泵、7—循环缓冲容器、8—磁力搅拌器、9—废水出口、10—筒状反应器、11—接地电极、12—放电区域、13—活性炭纤维层、14—多孔挡板。

具体实施方式

如图1和2所示，一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的装置，该装置包括筒状反应器10、同轴连通在筒状反应器10上部的布水槽4、循环缓冲容器7、分别连接交流高压电源1正负极的棒状高压电极3和接地电极11，所述的棒状高压电极3沿轴向从布水槽4上部插入筒状反应器10并用橡胶塞固定在布水槽4上部的石英板上，所述的接地电极11覆盖在所述筒状反应器10的外壁上，所述筒状反应器10的内壁上固定有活性炭纤维层13，所述活性炭纤维层13的表面上设有多孔挡板14用于固定活性炭纤维层13，所述的循环缓冲容器7通过管道和蠕动泵6连通设在所述布水槽侧壁上的废水入口5，所述的循环缓冲容器7通过管道连通设在所述筒状反应器10底部的废水出口9形成废水循环管路。废水通过蠕动泵6提供的动力进行循环，所述筒状反应器10的出水采用重力自流方式，减少动力消耗。所述的循环缓冲容器7内设有磁力搅拌子，同时放在磁力搅拌器8进行混合均匀。

所述活性炭纤维层13中的活性炭纤维用去离子水洗过后在110℃的烘箱中烘干，然后设置在筒状反应器10的内壁上，并用多孔挡板14固定，以层状结构围成一圈。活性炭纤维厚度为2mm，长度为220mm。

所述布水槽4的下部为凹形弧面使进水分布均匀，所述布水槽4的上部开有通气口2，保持反应器内压力平衡。

所述筒状反应器10的顶部在布水槽的底部形成溢流堰，确保废水沿筒状反应器10的内壁均匀流下。所述的溢流堰为齿形堰。

所述的棒状高压电极3为铝棒；接地极11为薄壁铝板。

所述筒状反应器10、多孔挡板14和布水槽4的材料均为石英玻璃。

采用上述装置降解水中三氯卡班的工作过程：循环缓冲容器7中含有三氯卡班的废水由蠕动泵6通过废水入口5通入到布水槽4内，废水以液膜方式流过设在筒状反应器10内壁上的活性炭纤维层13，打开交流高压电源1电流在放点区域12进行介质阻挡放电，产生低温等离子体，等离子体协同活性炭纤维对三氯卡班废水进行处理。处理后的水通过废水出口9靠重力自流进入循环缓冲容器7中，磁力搅拌器8对反应前后的废水进行混合均匀。交流高压电源1的功率为60～100W；蠕动泵6进水流速为30～50mL/min；所述三氯卡班废水中三氯卡班的浓度为2～20mg/L；处理时间为3～18min；三氯卡班废水的pH为2～7。

本发明中采用线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的方法，将循环缓冲容器7中的含三氯卡班的废水用蠕动泵6泵入到布水槽4中，在棒状高压电极3和活性炭纤维13间产生介质阻挡放电，利用介质阻挡放电过程中产生的·OH等活性粒子、臭氧和UV，同时联合活性炭纤维的吸附与催化性能对三氯卡班废水进行降解；处理完的水再回流到循环缓冲容器7中，并用磁力搅拌器8对反应前后的废水进行混合均匀。

本发明实施例中所采用的高频电源1为南京苏曼电子有限公司生产的CTP-2000K放电电源，可通过调压器调节高频电源的电压和功率，从而控制输出的电流。调压器所调节的高频电源的电压和功率范围分别为0-220V和0-500W。其放电的电压峰值为8000-12000V(交流正弦波形)，电流峰值为20-50mA，产生的放电频率为2.5kHz-30kHz。

本发明实施例中采用石英玻璃制作筒状反应器10、多孔挡板14和筒状反应器10上部的布水槽4，筒状反应器10的外管直径为100mm，长度330mm，在筒状反应器10顶部设置成溢流堰，溢流堰为齿形堰，高度30mm，确保废水沿筒状反应器10外壁均匀流下；筒状反应器10上部的布水槽4直径230mm，高度120mm，下部设置成凹形弧面使进水分布均匀，同时在布水槽4上方开有通气口2，直径5mm，保持反应器内压力平衡；多孔挡板14厚0.5mm。循环缓冲容器7是一个500ml的烧杯。

本发明实施例中棒状高压电极3为铝棒，直径为20mm，长度400mm；接地极11为薄壁铝板，厚度为1mm，长度200mm。

本发明实施例中活性炭纤维层13用去离子水洗过后在110℃的烘箱中烘干，然后设置在筒状反应器10的内壁上，并用多孔挡板14固定，以层状结构围成一圈。活性炭纤维层13厚度为2mm，长度为220mm。

为了解该装置处理含三氯卡班废水的效果，试验配制了三氯卡班浓度为8mg/L，pH＝5.49的模拟废水，分别研究了三氯卡班降解率随功率和活性炭纤维重复利用次数的变化情况。

一、采用不同的功率处理含三氯卡班废水

将浓度为8mg/L的含三氯卡班的水样120mL加入如附图1所示的装置中，开启蠕动泵，等废水均匀流过活性炭纤维，然后等离子体电源输入的电流通入所述棒状高压电极进行介质阻挡放电，产生低温等离子体协同活性炭纤维对含三氯卡班的废水进行处理，将废水中的三氯卡班降解；电源输出功率为60W、80W、100W，进水流速为40ml/min，在放电时间18min的情况下，经检测没有活性炭纤维的情况下三氯卡班降解率分别为83.84％、85.05％、86.87％，在活性炭纤维存在的情况下三氯卡班降解率分别为92.46％、93.19％、95.05％。可见低温等离子体与活性炭纤维有很好的协同效果，可用于降解难生化处理的有机废水。

二、重复使用活性炭纤维来处理含三氯卡班废水

将浓度为8mg/L的含三氯卡班的水样120mL加入如附图1所示的装置中，开启蠕动泵，等废水均匀流过活性炭纤维，然后等离子体电源输入的电流通入所述棒状高压电极进行介质阻挡放电，产生低温等离子体协同活性炭纤维对含三氯卡班的废水进行处理，将废水中的三氯卡班降解；电源输出功率为80W，进水40ml/min，在放电时间18min的情况下，经检测在重复使用活性炭纤维的情况下三氯卡班降解率分别为93.19％、94.65％、94.89％、95.14％、95.62％。可见活性炭纤维经过介质阻挡放电等离子体的处理，能够达到再生，重复利用效果得到增强；而普通的活性炭纤维吸附，吸附一定时间后达到吸附饱和，重复利用效果就会下降。同时此方法可用于连续处理难生化降解的有机废水。

Claims (10)

1.一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的装置，其特征在于该装置包括筒状反应器、连通在筒状反应器上部的布水槽、循环缓冲容器、分别连接交流高压电源正负极的棒状高压电极和接地电极，所述的棒状高压电极设置在所述的筒状反应器内，所述的接地电极覆盖在所述筒状反应器的外壁上，所述筒状反应器的内壁上固定有活性炭纤维层，所述活性炭纤维层的表面上设有多孔挡板，所述的循环缓冲容器分别连通设在所述布水槽侧壁上的废水入口和设在所述筒状反应器底部的废水出口形成废水循环管路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的布水槽与所述的筒状反应器同轴相连。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述的棒状高压电极沿轴向从布水槽的上部插入筒状反应器内，并固定在布水槽上部的石英板上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的循环缓冲容器内设有搅拌器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的循环缓冲容器通过管道和蠕动泵连通设在所述布水槽上的废水入口，所述的循环缓冲容器通过管道连通设在所述筒状反应器底部的废水出口。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述筒状反应器的顶部在布水槽的底部形成溢流堰，确保废水沿筒状反应器的内壁均匀流下。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述布水槽的下部为凹形弧面，所述布水槽的上部开有通气口。

8.一种线筒式介质阻挡放电协同活性炭纤维降解水中三氯卡班的方法，其特征在于：将三氯卡班废水采用蠕动泵通入到权利要求1所述装置的布水槽内，废水以液膜方式流过设在筒状反应器内壁上的活性炭纤维层，打开交流高压电源电流进行介质阻挡放电，产生低温等离子体，等离子体协同活性炭纤维对三氯卡班废水进行处理。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述交流高压电源的功率为 60～100W；进水流速为30～50mL/min。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述三氯卡班废水中三氯卡班的浓度为2～20mg/L；处理时间为3～18min；三氯卡班废水的pH为2～7。