CN105307983B - 通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的方法和装置 - Google Patents

通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN105307983B
CN105307983B CN201480032243.1A CN201480032243A CN105307983B CN 105307983 B CN105307983 B CN 105307983B CN 201480032243 A CN201480032243 A CN 201480032243A CN 105307983 B CN105307983 B CN 105307983B
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
pulse
liquid
voltage
negative electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201480032243.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105307983A (zh
Inventor
J.F.科尔布
K-D.韦尔特曼
R.巴纳希克
J.庄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Original Assignee
Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV filed Critical Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Publication of CN105307983A publication Critical patent/CN105307983A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105307983B publication Critical patent/CN105307983B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/4608—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods using electrical discharges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/006—Baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • B01J19/2425—Tubular reactors in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0809—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes employing two or more electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0815—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes involving stationary electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0824—Details relating to the shape of the electrodes
    • B01J2219/0826—Details relating to the shape of the electrodes essentially linear
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
    • B01J2219/0824—Details relating to the shape of the electrodes
    • B01J2219/0826—Details relating to the shape of the electrodes essentially linear
    • B01J2219/083—Details relating to the shape of the electrodes essentially linear cylindrical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B01J2219/0845—Details relating to the type of discharge
    • B01J2219/0849—Corona pulse discharge
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0877—Liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0892—Materials to be treated involving catalytically active material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/04—Disinfection

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

描述了一种通过在液体容积(6)中产生电晕放电(12)来处理液体(5)的方法。在此，对位于液体容积(6)中的电极设备(2)施加高压脉冲(8)。高压脉冲(8)的脉冲上升时间处于直至40纳秒的范围内，并且高压脉冲(8)的脉冲持续时间处于50至400纳秒的范围内。

Description

通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的方法，其中，对位于液体容积中的电极设备施加高压脉冲。
本发明还涉及一种通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的装置，其中，所述装置包括具有至少一个阴极和至少一个与阴极有一定距离地布置的阳极的电极设备以及用于产生高压脉冲的高压单元，其中，所述高压单元与所述电极设备相连，以对至少一个阳极施加高压脉冲，并且其中，所述电极设备被设计用于在至少一个阴极和至少一个阳极之间的空间中容纳要处理的液体。
背景技术
为了对液体、特别是饮用水、工业用水和废水进行清洁、消毒和/或净化，已知使用等离子体处理。在此，等离子体不仅可以在液体容积外部以气态相被产生，然后与气体一起被引入液体容积中。而是，可以在液体容积本身中通过产生电晕放电来产生用于液体处理的等离子体。
M.A.Malik,Y.Minamitani,S.Xiao,J.F.Kolb和K.H.Schoenbach:Streamers inWater Filled Wire-Cylinder and Packed-Bed Reactors,in:IEEE Transactions onPlasma Science,Vol.33,No.2,April 2005,第490-491页公开了电晕放电在水体积中的产生。在此，描述了在高达90千伏的高压下具有500纳秒(FWHM)的脉冲持续时间的高压脉冲，其具有80至150纳秒的脉冲上升时间和400纳秒的脉冲下降时间。在等离子体通道中，产生诸如过氧化氢和氢氧化物的活性种，但是由于其短暂的寿命而不能在液体容积中充分地与要处理的污染物相互作用。通过用具有3至5mm的直径的硅胶珠(硅胶球)填充液体容积，在反应器体积中获得更均匀的等离子体分布。
从M.A.Malik:Water Purification by Plasmas:Which Reactors are MostEnergy Efficient？,in:Plasma Chem Plasma Process(2010)30:21-31中已知，其中以气相形成等离子体并且喷洒要处理的液体溶液的脉冲驱动的反应器非常有效。
Z.Machala,B.Tarabová,M.Pilach,K.Hensel,M.Jander,E.P.Plasma Agents in Water and Surface Decontamination,in:NATO Advanced ResearchWorkshop,Plasma for Bio-Decontamination,Medicine and Food Security,Jasná,Slovakia,March 15-18,2011,Ed.Karol Hensel和Zdenko Machala,第45-46页描述了在大气压力下用高压放电对水和表面的生物净化。将要处理的水喷射到由此产生的冷等离子体中。被污染的水直接流过空心的针形电极，由此流过等离子体活性区。该冷的大气压等离子体利用具有纳秒范围内的脉冲持续时间的重复脉冲产生。
从WO 97/37938 A1中已知，在液体容积外部产生氧化的气态等离子体，并且作为等离子体气体流引入要处理的液体容积中。
WO 2009/006993 A2公开了一种通过高压脉冲技术对被细菌污染的液体进行消毒的反应器和其方法。在能够施加高压电势的电极上有一陶瓷层。在此，使用具有大于100纳秒的脉冲持续时间、优选200至300纳秒的脉冲持续时间的高压脉冲，其中，高压脉冲的上升时间小于100纳秒。
发明内容
由此出发，本发明要解决的技术问题是，提供一种通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的改进的方法和改进的装置，其中，对位于液体容积中的电极设备施加高压脉冲。
上述技术问题通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求7的特征的装置来解决。在从属权利要求中描述了有利实施方式。
借助于具有50至400纳秒范围内的脉冲持续时间的非常短的高压脉冲，特别是借助于1至40纳秒范围内的高压脉冲的非常短的脉冲上升时间，在几乎整个流体体积中实现了非常有效的液体处理。非常短的脉冲上升时间产生明显更大的冲击波，并且使能量快速传递到电极，由此产生更有效的反应化学过程。通过具有非常陡的边沿的非常短的高压脉冲，减小了对阴极的电晕放电击穿的危险。此外，确保尽可能少的能量被浪费用于等离子体和液体的加热。
通过50至400纳秒范围内的脉冲持续时间中的1至40纳秒范围内的非常短的脉冲上升时间，在电晕放电中实现具有非常高的电流尖峰和明显更短的脉冲时间的电流脉冲。在大约250纳秒(FWHM)的脉冲持续时间的情况下，例如获得大约100纳秒的电流周期，其中，电流脉冲显著衰减。由此，短高压脉冲的陡峭的上升沿产生非常短并且尖锐的电流脉冲，其结果是，液体容积中的液体处理非常有效。
脉冲重复率优选处于10至1000赫兹范围内。两个连续的高压脉冲之间的静止时间应当比高压脉冲的脉冲长度长。由此确保所产生的等离子体最初逐渐消失。
脉冲重复率优选处于50至150赫兹范围内。
高压脉冲的电压幅值应当大于50千伏，优选处于50至200千伏的范围内，特别优选高达200千伏。在该范围内，能够实现电晕放电，其能量基本上转换到可用于处理液体的化学和物理反应中，而不会出现对阴极的电荷击穿的显著危险，并且不会将能量无用地传递到对液体的加热中。但是在该范围内，也确保产生的电流脉冲具有足够的幅值。
特别有利的是，电极设备具有多个阳极，其中，交替地对阳极或阳极组施加高压脉冲。以这种方式，能够确保电晕放电在液体容积中的大面积分布。在对一个阳极或一个阳极组施加高压脉冲之后，能够利用衰减时间，以对另一个阳极或者另一个阳极组施加高压脉冲，而在那里形成的电晕放电不会被先前施加高压脉冲的另一个阳极或阳极组的范围内的衰减阶段影响。由此，能够非常有效地在小的时间窗内利用电晕放电交替地一个接一个地对液体容积的不同的空间范围进行处理。
在这种类型的装置中，为了执行所述方法，设置为，高压单元被构造为产生具有1至40纳秒范围内的脉冲上升时间并且具有50至400纳秒范围内的脉冲持续时间的高压脉冲。
在此，还有利的是，高压单元被构造为产生具有10至1000赫兹范围内、优选50至150赫兹范围内的脉冲重复率的高压脉冲。
此外，特别有利的是，高压单元被构造为产生具有大于5千伏的电压幅值、优选具有50至200千伏范围内、优选50至200千伏范围内、特别优选高达200千伏的电压幅值的高压脉冲。
特别有利的是，电极设备具有多个阳极。在此，高压单元连接到阳极，并且优选被构造为对阳极或者选择的阳极组交替地施加高压脉冲。由此，能够在时间上一个接一个地对在空间上彼此间隔开的阳极进行施加。以时间移位的方式交替地被施加的阳极或阳极组在此优选以在空间上彼此移位的方式布置为，同时被施加的阳极的电晕放电不被由于在先前被施加的阳极上的先前的电晕放电的衰减行为影响。
任选地可以想到，对多个阳极同步、即同时施加高压脉冲。
特别有利的是，电极设备的至少一个阳极被布置为能围绕旋转轴转动。在此，设置驱动单元，用于在处理液体期间使至少一个阳极围绕旋转轴转动。以这种方式，实现了电晕放电在液体容积中的最优分布。此外，对液体的处理通过由阳极的转动产生的对液体的搅动而得到改善。阳极的转动频率优选处于脉冲重复率的范围内。就像在对不同的阳极交替地进行施加时一样，通过至少一个阳极围绕旋转轴转动，实现了在时间上先后地在液体容积的不同范围内产生电晕放电，其中，电晕放电不受紧接在前产生的电晕放电的衰减行为影响。
特别有利的是，多个电介质表面元件从至少一个阳极开始向相关联的阴极的方向沿径向延伸。因此，优选在圆筒形的阴极的内部空间中布置同轴的线形的阳极。于是，由此从这些同轴的线形(线状或棒状)阳极开始，星形的电介质表面元件向包围阳极的圆筒形阴极的方向沿径向延伸。在此，这些电介质表面元件沿着阳极的纵向延伸方向并且在阳极和阴极之间的区间上沿径向撑开一个表面。利用这些以星形布置在阳极和阴极之间的空间中的电介质表面元件，能够显著改善电晕放电在液体容积中的分布和对要处理的液体的穿透。
但是也可以想到，在共同的阳极的纵向延伸方向上一个接一个地布置多个电介质圆盘。在此，阳极延伸通过这些电介质圆盘。这些电介质圆盘又向相关联的阴极的方向沿径向延伸。在此，这些电介质圆盘具有允许要处理的液体通过的通孔。
借助这些一个接一个地布置的电介质圆盘，液体容积被分开，并且获得电晕放电在液体容积中的改善的分布。在此有利的是，与圆筒形的阴极同轴地延伸的线形的(线状/棒状)阳极在圆筒形的阴极的内部空间中延伸。该阳极在此优选与电介质圆盘同轴地布置。但是也可以想到，多个这样的线形的阳极延伸通过一个接一个地布置的电介质圆盘，其中，这些阳极和电介质圆盘被限制液体容积的圆筒形的阴极包围。
特别有利的是，电极设备具有多个彼此间隔开地布置的阳极，其具有指向相关联的阴极的方向的边缘。借助该多个阳极、特别是借助这些边缘，电晕放电的产生得到改善。也就是说，电晕放电优选在阳极的边缘处、特别是在尖锐边缘部分处形成。通过具有边缘的阳极的锯齿形或具有尖锐边缘的表面，可以实现在对阳极施加高压脉冲的同时实现尽可能多的电晕放电。
与上面描述的将电作用的阳极分成多个阳极对应地，还可以想到，将阴极分成多个在空间上彼此间隔开的阴极，并且同时或者交替地对其进行控制。还可以想到，不仅将阳极、而且将阴极分成多个分离的阳极-阴极对。
附图说明
下面根据实施例与附图详细描述本发明。其中：
图1示出了具有电极设备和高压单元的用于液体处理的装置的示意图；
图2示出了对电极设备施加的高压脉冲与产生的电流脉冲的图；
图3示出了图1中的装置与在施加高压脉冲时在液体容积中产生的电晕放电的示意图；
图4示出了具有附加气体供给的装置的另一实施方式的示意图；
图5示出了具有阳极的多孔包封的用于液体处理的装置的另一个实施方式的示意图；
图6示出了以具有功能性表面或催化表面的材料填充容积的用于液体处理的装置的另一个实施方式的示意图；
图7示出了具有电介质圆盘的装置的实施方式的示意图；
图8示出了具有沿径向从阳极向阴极星形延伸的电介质表面元件的装置的实施方式的示意图；
图9示出了具有多个并排布置的电极设备的装置的示意图；
图10示出了具有可旋转地布置的电极设备和驱动单元的用于液体处理的装置的实施方式的示意图；
图11示出了具有多个交替地施加高压脉冲的阳极的用于液体处理的装置的实施方式的示意图；
图12示出了具有多个交替地施加高压脉冲的阳极组的用于液体处理的装置的实施方式的示意图。
具体实施方式
图1能够看到用于处理液体、特别是饮用水、工业用水或废水或者其它水溶液的装置1的示意图。利用该装置1能够使污染物、例如细菌、病毒、真菌或化学残留无害化。因此，装置1例如适合于去除药物残留。为此，装置1具有电极设备2，其由圆筒形的阴极3和在阴极3的内部空间中优选同轴地延伸的线形的阳极4形成。阳极4例如可以是棒状电极或线状电极。特别合适的是由钨或钨合金制成的电极。
可以看到，将要处理的液体5以液体流引导通过由电极设备2的圆筒形的阴极3限制的液体容积6。但是在此，圆筒形的阴极3也可以是与圆筒形的、不导电的壁、例如玻璃容器或者玻璃管邻接的栅格形结构。将阴极3电接地。阳极4与高压单元7连接，高压单元7被构造用于产生高压脉冲8。为此例如适合使用多级Marx-Bank型或者层叠Blumlein型发生器(Blumlein-Generator)。
在对阳极4施加高压脉冲8时，沿着线形的阳极4的延伸方向形成电晕放电，其沿径向朝周围的阴极3延伸。在此，高压脉冲8的电压幅值特别地在要处理的液体的导电率方面匹配于在阳极4与阴极3之间的径向距离和该液体，使得尽可能避免电压击穿。
现在，高压单元7对阳极4施加一系列高压脉冲8，其具有50至400纳秒(FWHM)范围内的脉冲持续时间。在此，由高压单元7的合适的装置调节高压脉冲8的脉冲上升时间，使得其处于1至40纳秒的范围内。由此，高压脉冲8的上升沿非常陡峭，这使得液体处理效率显著提高。通过非常短并且陡峭的脉冲，实现将能量非常快地传输到液体5周围的电子。这得到等离子体，其将电能最佳地转换为处理液体5所需的化学反应，而不会将大部分能量浪费在对等离子和液体5的加热过程中。通过非常陡峭并且快速的高压脉冲8，可以提高由等离子体产生的冲击波的强度，这提高液体处理的效率。
图2能够看到高压脉冲8的图。可以看到，高压脉冲具有大约250纳秒(FWHM)的脉冲持续时间。由此，脉冲持续时间由高压脉冲的电压幅值的半宽度(Full Width at HalfMaximum(极大值半处的全宽度)＝FWHM)定义。脉冲持续时间的开始和结束在此由最大电压幅值的一半定义。在本示例中，最大电压幅值为80千伏。由此，脉冲持续时间由电压幅值通过在电压最大值的一半的通过点之间的时间、即通过40千伏时的时间定义。
可以看到，高压脉冲具有与脉冲持续时间相比非常短的大约30纳秒的上升时间。脉冲上升时间由直到电压最大值的一半处的时间点t＝0的高压脉冲的开始和电压最大值的达到确定。
在到阳极4的线路上，在对阳极4施加高压脉冲8时，产生电流脉冲9，其具有尖峰电流为500安培(0.5kA)的明显衰减的振荡和大约100纳秒的脉冲持续时间。该短暂的、尖锐并且衰减的电流脉冲9是具有非常陡峭的上升沿的短暂的电压脉冲8的结果。
借助于对阳极4施加这样的高压脉冲8，在液体容积6中引起电晕放电。在此，产生由氢原子和氧原子构成并且在+2.8伏范围内的相对大的氧化还原电位的羟基自由基。除了氟之外，这种羟基自由基是最强的氧化剂之一，并且也适合于分解通过常用的氧化剂、例如氯或臭氧不能充分处理的这种稳定的成分。通过电晕放电借助等离子过程产生的羟基自由基已经证明特别适合于减少水中的药物残留。直接在液体中产生电晕放电使得直接在要处理的液体容积6中形成的羟基自由基的浓度高。这种羟基自由基在液体中具有小于一毫秒的非常短的寿命，从而在整个液体容积6中的有效扩散对于液体处理的效果是决定性的。
除了通过电晕放电产生的羟基自由基，液体容积6中的强脉冲化的电场也使得液体5中的微生物有效地失活。此外，电晕放电的丝类似于紫外线，这产生另外的微生物失活机制。此外，特别地通过短暂的脉冲持续时间中的短暂的脉冲上升时间在电晕放电的丝附近形成非常强的冲击波，其有效地破坏细胞结构。
在装置1的最简单的实施方式中，阳极4作为线状或棒状电极与圆筒形的阴极3同轴地布置在液体容积6中。在此，圆筒形的阴极3例如可以是用作地电极并且接地的金属管的一部分。以这种方式，可以使用已有的管道或泵系统，并且通过内置阳极4并且连接高压单元7对其进行修改。于是，在高压单元7和阳极4之间仅需要用于馈电线11的绝缘套管8，利用馈电线11对阳极4施加高压脉冲8。
电极4在施加高压脉冲时被加以强负荷，特别是在线状电极的情况下可以由供给单元任选地连续馈送，由此被替换。
圆筒形的阴极3的直径与工作条件有关，有利地可以处于1至50cm直径的范围内，优选处于5至10cm直径的范围内。为了处理更大的液体容积或者液体流，可以想到模块化的装置1，其中，并联连接具有这种相对细长的管系统的多个这种电极设备。
高压电极、即阳极4经由馈电线11与高压单元7连接，其产生高压脉冲8，由此对高压电极4施加。在此，阴极的直径或者阳极4与阴极3之间的距离匹配于要处理的液体5的导电率和所选择的高压脉冲8的最大电压幅值及脉冲持续时间，使得尽可能可靠地避免击穿。
对于有效的液体处理，高压脉冲8的电压幅值应当大于5千伏。对于5至10cm直径范围内的阴极3的管直径，应当选择优选50至150千伏范围内的高压脉冲8的电压幅值。由此能够在避免击穿的情况下实现非常有效的液体处理。
图3示出了图1中的装置1与液体容积6中的示意性电晕放电12的示意图。在此，对阳极4施加高压脉冲8。可以看到，电晕放电12在阳极4的长度上在阳极4的延伸方向上沿径向朝外向周围的阴极3发展。除了电压幅值之外，该电晕放电12的传播明显还与高压脉冲的持续时间有关。在此，脉冲持续时间可以选择为如此之短，使得高压脉冲的能量在化学反应中有效地得到转换，而不会被对等离子体和液体5的加热不必要地消耗。这通过50至400纳秒(FWHM)范围内的非常短的脉冲持续时间来实现。
高压脉冲8的脉冲上升时间被证明是一个重要的标准。脉冲上升时间与通过电晕放电12产生的电极化学直接相关联，其又与羟基自由基的产生速率和可以用于使微生物失活的其它等离子过程的强度相关。在此决定性的是，脉冲上升时间与脉冲持续时间相比非常短。在此，50至400纳秒的脉冲持续时间的脉冲上升时间应当处于1至40纳秒范围内。
在此，所产生的电流脉冲应当处于1至100纳秒脉冲持续时间范围内。这种短的电流脉冲对于有效的电晕放电的产生是有利的。电流脉冲由电压脉冲确定。利用短暂并且尽可能强衰减的电流脉冲、例如可以借助多级Marx-Bank产生的电流脉冲，能够很好地实现电流脉冲的快速序列。
应当将脉冲重复率选择为使得电晕放电在相关区域中引起新的电晕放电之前尽量隐灭。
利用用于液体处理的该装置和对应的方法，特别地能够使药物残留明显减少。在以20赫兹的脉冲重复率对液体容积施加大约6000个脉冲之后，被检药物残留的含量已经能够减少大约一半。在大约80000次放电之后，通常能够去除远大于80％的药物残留。这种方法已经被证明适合于从废水中很大程度上去除例如卡马西平、泛影葡胺、地西泮、双氯芬酸、炔雌醇、布洛芬和甲氧苄啶的药物残留。
在这种液体处理中，还确保尽量防止硝酸盐和亚硝酸盐的有害浓度。由此，不需要对液体5进行后处理，以减少由于使用传统过程的液体处理而增加的硝酸盐和亚硝酸盐含量。
为了提高液体处理的效率，可以想到对所示出的装置的基本结构进行修改。因此，例如可以例如借助并联的棒或线同时或优选交替地一个接一个地对多个阳极4施加高压脉冲8。在此，该多个阳极4在液体容积6中优选相对于共同的阴极3布置。
图4能够看到装置1的另一实施方式，其中，线状或棒状阳极4被不导电的管13包围。管13具有开口14，其分布地布置在管13的长度和圆周上。管13具有进气口15，用于引入诸如氧气的反应气体G。通过对阳极4施加高压脉冲8而产生的电晕放电12在此使气体分子分解成有效的自由基，例如分解成原子态氧。电晕放电12在此从阳极4开始通过开口14延伸到液体容积6中。电晕放电的丝在此不仅与所引入的反应气体G、而且与周围的液体5相互作用。
图5能够看到用于液体处理的装置1的另一实施方式的示意图。在此，线状或棒状阳极4又以周围的不导电的管包围。管16又具有开口17，在对阳极4施加高压脉冲8时电晕放电穿过这些开口17。借助这种包围阳极4的有孔的管16，电晕放电12的丝通过开口17离开，然后沿着有孔的管16的表面延伸。由此，被施加电晕放电12的液体容积6非常有效地被提高。沿着电介质延伸的丝具有与直接在液体5中延伸的丝不同的能量分布，与在图3中示出的简单的直接在液体5中产生电晕放电12相比，这使得自由基的产生率明显更高。
不同于使用多孔材料的阳极4的单纯的层，通过具有专门的开口17的围绕的有孔的管16，产生具有更有效的能量分布的改善的电晕放电12的丝的分布。这可能是由于如下事实：电晕放电12的丝能够从阳极4开始不受干扰地穿过开口17，而其在多孔层的情况下首先必须找到合适的路径。
利用根据图5变型的装置1在与介电管16的接口处产生的物理机制已经被证明对于减少诸如药物的化学物质特别有效。
图6能够看到装置1的另一实施方式。在此，在液体容积6中引入例如球形式的填充元素18，在填充元素18之间存在空隙。在对阳极4施加高压脉冲8时形成的电晕放电12的丝在此能够延伸通过填充元素18之间的空隙。由此沿着填充元素18确保非常有效的反应路径。
填充元素18是不导电的，即是介电的，并且具有催化或者吸收特性。优选诸如二氧化钛的材料适合作为催化填充元素18。特别是含二氧化硅或者含铝的填充元素18适合作为吸收剂。借助这些吸收或催化填充元素18，能够沿着表面利用协同作用，来提高液体5的去污效率。
图7能够看到装置1的另一实施方式。在此，在阳极4的延伸方向上布置有多个电介质盘19，其从阳极4开始沿径向朝圆筒形的阴极3延伸。借助这些电介质盘19，实现了电晕放电12的丝沿着电介质盘19的表面与液体5的流动方向垂直地传播。由此，通过借助电晕放电12引起的物理和化学效应非常有效地对与盘19的表面垂直地流动的液体进行处理。在电介质盘19中存在液体5能够流过的通孔20。
图8能够看到用于液体处理的装置1的另一实施方式。在此，线状或棒状的阳极4又与圆筒形的阴极3同轴地在所示出的阴极3的部分区段上延伸。与阳极4间隔开地布置的电介质表面元件21从该阳极开始突出。这些电介质表面元件21在阳极的延伸方向上以及在阳极4和围绕的阴极3之间的区段中沿径向张开一个平面。于是，在对阳极4施加高压脉冲时产生的电晕放电12以其丝在表面元件21的表面上从阳极4开始沿径向朝阴极13的方向并且在阳极4的延伸方向上传播。由此，使用于液体处理的有效表面增加，而不影响液体的流动状况。很明显，表面元件21成星形地关于阳极4的圆周分布式地布置。其可以被构造为横截面为矩形的板或者如所示出的被构造为具有圆弧形横截面的元件。
图9能够看到用于液体处理的装置1的示意图，其中，多个电极设备2彼此平行地布置。
由此，能够通过保证电极设备2的有效的几何结构，来保证整个液体容积6或者液体通过率。在所示出的实施例中，在电极设备2内部存在沿径向延伸的电介质表面元件21。以对应的方式，还可以对在阴极3的内部空间中没有附加元件或者具有盘类型的表面元件19的电极设备3，设置根据图4和5中的实施例的分别包围阳极4的管13、16或者根据图6中的实施例的在液体容积6中的填充元素18。
图10能够看到装置1的另一实施方式。在此，电极设备2的杆形的阳极4以能围绕旋转轴转动的方式布置。在阳极4上例如可以布置具有尖锐边缘的导电的电极部分22或者共旋转式电介质表面元件。阳极4可以如由旋转箭头所示出的那样转动，并且由驱动单元23驱动。在此，转动频率优选处于具有±10％的容差的脉冲重复率的范围内。由此将实现，等离子体在重新对阳极4施加高压脉冲8时在新的电晕丝的范围内在很大程度上消退，而不影响反应过程中的有效的能量转换。
图11能够看到用于液体处理的装置1的另一实施方式。在此也设置有由圆筒形的阴极3和多个阳极4形成的电极设备2。在此，多个阳极4分布式地布置在被阴极3包围的空间内部的液体容积6中，并且分别利用馈电线11与高压单元7连接。在该实施方式中，高压单元7被构造为分别对各个阳极4或阳极4的组交替地一个接一个地施加高压脉冲8。这通过邻近馈电线11的以(时间)移位的方式示出的高压脉冲8示出。
在所示出的实施例中，分别对两个彼此相隔地布置的阳极4同时施加高压脉冲8。两个组的阳极4在此移位，使得在对一个组的阳极4施加之后的衰减过程中，已经能够对至少另一个组的阳极4施加高压脉冲8，而在此产生的电晕放电不受衰减过程影响。由此，相应地同时被施加的阳极4组在空间上与时间上在前或在后被施加的阳极4组移位地布置。
图12能够看到图11中的装置1的另一个实施方式。在此也设置多个以在空间上彼此间隔开的方式布置在阴极3的内部空间中的阳极4。在该实施例中，例如分别将两个阳极4连接在一起形成一个组，并且利用共同的馈电线11与高压单元7连接。在此，对两个阳极组交替地施加在时间上移位的高压脉冲8。
在上面描述的所有实施方式中，阴极3可以是封闭的对外限制液体容积的圆筒，或者在外圆周上被封闭的容器(例如玻璃圆筒)限制的圆筒形的网格。由此，“管”也应当理解为有孔的网格管。可以想到诸如板状电极的其它几何结构。

Claims (11)

1.一种通过在液体容积(6)中产生电晕放电来处理液体(5)的装置(1)，其中，所述装置具有电极设备(2)和用于产生高压脉冲(8)的高压单元(7)，所述电极设备(2)具有至少一个阴极(3)和至少一个与阴极(3)间隔开地布置的阳极(4)，其中，高压单元(7)与所述电极设备(2)连接，以便对至少一个阳极(4)施加高压脉冲(8)，并且其中，所述电极设备(2)被构造用于在至少一个阴极(3)与至少一个阳极(4)之间的空间中容纳待处理的液体(5)，其中，高压单元(7)被构造用于产生具有1至40纳秒范围内的脉冲上升时间和50至400纳秒范围内的脉冲持续时间的高压脉冲(8)，其特征在于，多个电介质、催化的或吸收的表面元件(19,21)从至少一个阳极(4)开始径向地在对应的阴极(3)的方向上延伸。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，高压单元(7)被构造用于产生具有10至1000赫兹范围的脉冲重复率的高压脉冲(8)。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，高压单元(7)被构造用于产生具有50至150赫兹范围的脉冲重复率的高压脉冲(8)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，其特征在于，高压单元(7)被构造用于产生具有大于5千伏的电压幅值的高压脉冲(8)。
5.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，高压单元(7)被构造用于产生具有50至200千伏范围内的电压幅值的高压脉冲(8)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述电极设备(2)具有多个阳极(4)，其中，高压单元(7)被构造用于对阳极(4)或者阳极(4)的组交替地施加高压脉冲(8)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述电极设备(2)的至少一个阳极(4)以能围绕旋转轴转动的方式布置，并且设置在处理液体(5)期间用于使至少一个阳极(4)围绕旋转轴转动的驱动单元(23)。
8.根据上述权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，其特征在于，在共同的阳极(4)的纵向延伸方向上一个接一个地布置多个电介质盘(19)，其中，阳极(4)延伸通过所述电介质盘(19)，所述电介质盘(19)径向地在对应的阴极(3)的方向上延伸，并且其中，所述电介质盘(19)具有用于使待处理的液体(5)通过的通孔(20)。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述电极设备(2)具有多个彼此间隔开地布置的阳极(4)，其具有指向对应的阴极(3)的方向的边缘。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(1)，其特征在于，至少一个阳极(4)被至少一个有孔的管(13,16)包围。
11.根据权利要求10所述的装置(1)，其特征在于，所述管具有用于馈送反应气体(G)的进气口。
CN201480032243.1A 2013-06-07 2014-06-10 通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的方法和装置 Expired - Fee Related CN105307983B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013105917.1 2013-06-07
DE102013105917 2013-06-07
PCT/EP2014/061991 WO2014195519A1 (de) 2013-06-07 2014-06-10 Verfahren und einrichtung zur behandlung von fluiden durch erzeugung von koronaentladungen in einem fluidvolumen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105307983A CN105307983A (zh) 2016-02-03
CN105307983B true CN105307983B (zh) 2018-01-16

Family

ID=50896317

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480032243.1A Expired - Fee Related CN105307983B (zh) 2013-06-07 2014-06-10 通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的方法和装置

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3003988B1 (zh)
CN (1) CN105307983B (zh)
DK (1) DK3003988T3 (zh)
WO (1) WO2014195519A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108558115A (zh) * 2018-06-14 2018-09-21 淮安信息职业技术学院 高压脉冲放电污水处理器
CN108483790A (zh) * 2018-06-14 2018-09-04 淮安信息职业技术学院 节能高压脉冲放电等离子体污水处理装置
NL2024131B1 (en) * 2019-10-31 2021-07-19 Joining Minds Solutions Waste water cleaning apparatus and system

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1076320C (zh) * 1994-02-23 2001-12-19 早川英雄 用于提高水质的方法和装置
US5695619A (en) * 1995-05-25 1997-12-09 Hughes Aircraft Gaseous pollutant destruction method using self-resonant corona discharge
US5603893A (en) * 1995-08-08 1997-02-18 University Of Southern California Pollution treatment cells energized by short pulses
DE19633368A1 (de) * 1996-08-19 1998-02-26 Volkwin Koester Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer stabilen Koronaentladung und deren Anwendung zur Behandlung von Fluids, besonders zur Ozonerzeugung
GB9719858D0 (en) * 1997-09-19 1997-11-19 Aea Technology Plc Corona discharge reactor
FR2836397B1 (fr) * 2002-02-27 2004-04-23 Renault Reacteur pour le traitement par plasma d'un flux gazeux, notamment des gaz d'echappement produit par le moteur a combustion interne d'un vehicule automobile
CN100349804C (zh) * 2006-01-27 2007-11-21 哈尔滨工业大学 高压脉冲电场中填料床去除水中难降解有机物的方法
US20100240943A1 (en) * 2009-03-19 2010-09-23 Solnik Dvir Degradation of organic pollutants in an aqueous environment using corona discharge
CN101703874B (zh) * 2009-11-16 2011-09-28 浙江大学 用于直流电晕放电烟气治理的分离式喷嘴电极系统
RU2530110C2 (ru) * 2010-01-29 2014-10-10 Эвоэнерджи, Ллс Плазменный реактор для преобразования газа в жидкое топливо
CN102311192B (zh) * 2011-06-23 2013-06-05 仲立军 等离子放电与臭氧结合使用的污水处理装置
CN202089810U (zh) * 2011-06-23 2011-12-28 仲立军 等离子放电与臭氧结合并用的污水处理装置
JP5866694B2 (ja) * 2011-10-21 2016-02-17 国立大学法人東北大学 ラジカル発生装置及びそれを用いた浄化方法
CN102633390B (zh) * 2012-04-11 2013-10-30 哈尔滨工程大学 船舶舱底含油污水的集成处理装置及方法
CN202912748U (zh) * 2012-07-11 2013-05-01 李琛 饮用水在线快速处理装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014195519A1 (de) 2014-12-11
DK3003988T3 (da) 2020-02-03
EP3003988A1 (de) 2016-04-13
CN105307983A (zh) 2016-02-03
EP3003988B1 (de) 2019-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Plasma discharge in liquid: water treatment and applications
Malik Nitric oxide production by high voltage electrical discharges for medical uses: a review
Locke et al. Electrohydraulic discharge and nonthermal plasma for water treatment
Kim et al. Use of plasma gliding arc discharges on the inactivation of E. Coli in water
US6117401A (en) Physico-chemical conversion reactor system with a fluid-flow-field constrictor
Weltmann et al. Atmospheric-pressure plasma sources: Prospective tools for plasma medicine
US20100219136A1 (en) Fluid treatment using plasma technology
KR20120130768A (ko) 액체에 대한 플라즈마 입자를 적용하기 위한 방법 및 장치와 물을 소독하는 방법
WO1997023285A1 (en) Method and device for treating an aqueous solution
CN105060408B (zh) 一种水下低温等离子体废水处理方法及装置
CN105307983B (zh) 通过在液体容积中产生电晕放电来处理液体的方法和装置
US20190127242A1 (en) Autonomous bubble generating plasma unit for water treatment
CN103349890B (zh) 一种基于纳秒脉冲放电技术脱除室内有害气体的装置
CZ301074B6 (cs) Zarízení pro dekontaminaci a dezinfekci vodných roztoku
Zhang et al. Bacterial decontamination of water by bipolar pulsed discharge in a gas–liquid–solid three-phase discharge reactor
Zhu et al. The research on the pulsed arc electrohydraulic discharge and its application in treatment of the ballast water
Kim et al. Residual effects and energy cost of gliding arc discharge treatment on the inactivation of Escherichia coli in water
JP2006269095A (ja) プラズマ生成装置
Jin et al. Generation of plasma activated water by a hybrid plasma source
Lukes et al. High power DC diaphragm discharge excited in a vapor bubble for the treatment of water
Ni et al. Plasma inactivation of Escherichia coli cells by atmospheric pressure air brush-shape plasma
Zhang et al. Organic dye removal from aqueous solution by pulsed discharge on the pinhole
Becker Microplasmas, a platform technology for a plethora of plasma applications
Sigmond et al. Action of corona discharges on bacteria and spores
JP4844488B2 (ja) 高電圧パルス制御による選択的液体処理方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: Greifswald, Germany

Applicant after: Leibniz Institute of plasma science and technology

Address before: Greifswald, Germany

Applicant before: INP GREIFSWALD E.V.

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180116

Termination date: 20200610