CN105540727A

CN105540727A - 超声空化等离子体水处理装置及其处理方法

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Publication number: CN105540727A
Application number: CN201510940724.9A
Authority: CN
Inventors: 赵赫; 李芳�
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-05-04

Abstract

本发明涉及一种超声空化等离子体水处理装置及其处理方法，所述装置包括水箱（1），所述水箱（1）内设置有水体（2），所述水体（2）内设置有左右两个等离子体发生器（3），所述左右两个离子体发生器（3）下方均设置有超声空化换能件（5），所述超声空化换能件（5）外侧设置有防护罩壳（6）所述水箱（1）外侧设置有进水阀（10）和排水阀（4）。本发明一种超声空化等离子体水处理装置及其处理方法，在水体反应介质中超声空化和等离子体共同存，相互作用，显著加快了等离子体的与介质的相互作用速度，可实现规模化等离子体作用效果，能量利用率大为提高，克服了反应死区问题。

Description

超声空化等离子体水处理装置及其处理方法

技术领域

本发明涉及一种超声空化等离子体水处理装置及其处理方法。

背景技术

等离子体系统特别是低温等离子系统通常由电源、反应器、控制和冷却等部分组成。反应器作为等离子体系统的核心组成部分，承担着与需处理介质的接触、完成反应的整个内容。现有等离子体在水体中的放电方法有：介质阻档放电、电弧放电等。用等离子体法进行水处理包括水的深度净化处理和污水处理。等离子体法水处理特别是高浓度重污染污水处理具有处理效果好，占地面积小，易于实现自动化。但也存在许多难以克服的问题：

1.由于水体的密度远远大于气体的密度，当水中等离子体放电产生的高能电子在与水体分子的频繁碰撞中会很快失去动能，其透入的深度相当微小，因而，大量的水体用等离子体的方法处理较为困难；

2.对于水中脉冲放电处理水体，放电通道与水体接触的只能局限于两个电极之间，接触面积小，主要依靠冲击波在水中传播起到一定的作用，对有害物质的分子起作用只能局限在放电通道能于水体接触的部分，因此，现有的等离子方法只限于实验室状态或小型工程使用；

3.现有的等离子体方法作用于水体，有许多放电方式难以在水体中实现，如沿面放电等；

4.反应速度慢，对水体介质的作用效率不高，有大量反应死区等问题存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种超声空化等离子体水处理装置及其处理方法，在水体反应介质中超声空化和等离子体共同存，相互作用，显著加快了等离子体的与介质的相互作用速度，可实现规模化等离子体作用效果，能量利用率大为提高，克服了反应死区问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种超声空化等离子体水处理装置，它包括水箱，所述水箱内设置有水体，所述水体内设置有左右两个等离子体发生器，所述左右两个离子体发生器下方均设置有安装撑架，所述安装撑架上设置有超声空化换能件，所述超声空化换能件外侧设置有防护罩壳，所述水箱顶部设置有气体处理器，所述水箱底部设置有污泥排放阀，所述水箱外侧设置有进水阀和排水阀，所述进水阀的高度高于排水阀。

一种超声空化等离子体水处理装置的处理方法，需处理的水体通过进水阀进入水箱内，开启超声空化换能件和等离子体发生器共同作用于需处理的水体，经过一段时间后，水体达到了处理排放指标，达到指标后的水体通过排水阀进行排放。

所述箱体的底部设有污泥排放阀，用于对处理水体产生的沉淀物积累到一定程度时进行排放。

所述箱体的顶部设有气体处理器，用于对箱体内的废气收集并进行处理后排放，以保证整个水处理过程无异味排放。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明在水体反应介质中超声空化和等离子体共同存，相互作用，显著加快了等离子体的与介质的相互作用速度，可实现规模化等离子体作用效果，能量利用率大为提高，克服了反应死区问题；

2、本发明具有实施容易、成本低、可靠性高等特点；

3、本发明特别适用于污水处理、水体深度净化，同样适用于其它液体的处理，如工业乳化液、生物化工反应、液固混合介质如餐饮固体废物无害化处理等场合，可广泛应用于环境工程、生化、医药、食品等生产过程；

4、本发明方法易行，用于污水处理效果好，成本低、并适合大水量的处理，实际操作性强，便于工程应用；

5、本发明不但可用于水的深化净化处理，也可广泛应用于污水的无害化处理，用于自来水厂的水体深度净化生产可免去作为灭菌剂氯的大量使用；还可广泛应用于生活污水、医药生化污水、印染污水等的净化和无害化处理；

6、本发明方法实施简便、成本低、适合大水量处理，便于工程的规模化推广并容易实现自动化控制，具有广泛的应用意义。

附图说明

图1为本发明一种超声空化等离子体水处理装置的结构示意图。

其中：

水箱1

水体2

等离子体发生器3

排水阀4

超声空化换能件5

防护罩壳6

沉淀物7

污泥排放阀8

安装撑架9

进水阀10

气体处理器11。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种超声空化等离子体水处理装置，它包括水箱1，所述水箱1内设置有水体2，所述水体2底部为沉淀物7，所述水体2内设置有左右两个等离子体发生器3，所述左右两个离子体发生器3下方均设置有安装撑架9，所述安装撑架9上设置有超声空化换能件5，所述超声空化换能件5外侧设置有防护罩壳6，所述水箱1顶部设置有气体处理器11，所述水箱1底部设置有污泥排放阀8，所述水箱1外侧设置有进水阀10和排水阀4，所述进水阀10的高度高于排水阀4。

所述超声空化等离子体水处理装置的处理方法如下：

需处理的水体2（或污水）通过进水阀10进入水箱1内，开启超声空化换能件5和等离子体发生器3共同作用于需处理的水体2，经过一段时间后，水体2达到了处理排放指标，达到指标后的水体2通过排水阀4进行排放。

箱体1的底部设有污泥排放阀8，用于对处理水体2产生的沉淀物7积累到一定程度时进行排放。

箱体1的顶部设有气体处理器11，用于对箱体1内的废气收集并进行处理后排放，以保证整个水处理过程无异味排放。

对于水处理及相关领域，导致了单纯超声空化或单纯等离子体作用于水体不可能出现的显著水处理效果：单纯的超声空化不能达到水处理的如灭菌、脱色、无害化等功能；单独的等离子体作用于水体，具有较多的局限性，如难以实现水中大面积放电，放电时与水体接触范围小、处理效果不均匀和高能粒子扩散范围有限等。至今为止，在水体中难以实现大面积的等离子体放电，超声空化实现了放电等离子体与水体接触的条件。在气体或气液混合的系统中可有效地扩大了等离子体放电产生的作用区域，可以方便地实现气液混合环境中的电晕放电、脉冲放电、沿面放电和弧光放电等。作用于水体的能量波频率高于20000赫兹并保证能量足够高时，就会产生“超声空化”现象，存在于水体中的微小气泡（空化核）在超声场强的作用下发生振动、生长并不断进行声场能量聚集，当能量达到阈值时，会在水体中出现空化气泡急剧崩溃闭合现象。在水体中，如水空化气泡的寿命约为0.1μs，它在急剧崩溃的同时释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2，另外，水中的空化气泡在急剧崩溃的瞬间会产生局部高温高压（5000K，1800atm），其冷却速度可达109K/s。在等离子体条件下，以水为例，水的Er＝80，通过超声空化形成水气相间的混合态，通过等离子体放电电极，在混合体的周围形成畸变的高电场，可电晕放电现象，当作用外加电压8kV，高压脉冲的上升时间为μs级，放电时可产生的电子温度达5－20eV，水气混合的电离离子和超声空化产生的中性气体温度接近常温的非平衡等离子体。

在水（污水）环境中作用超声空化和等离子体，激发的微泡中含有脉动高压力的空气、水蒸气，等离子体与其共同作用，污水中的分子、颗粒物、菌类及有毒有害成份呈现特别的活化状态，在微观上发生着复杂的物理和化学反应，电子与分子间发生的反应涉及：激发、离解、附着、离解吸附、电离、离解电离、偶合、复合、离脱。在分子与原子间发生的反应涉及：潘宁离解、潘宁电离、电荷转移、离子复合。超声空化等离子体作用于污水产生的合成反应可以发生在三个层面：电子、分子和质子。超声空化中微泡中含有脉动高压力的空气、水蒸气，在与等离子体共同作用具有较高的局部高温条件下，水分子和污泥颗粒包括污泥中的菌类、有毒有害成份呈现特别的活化状态，在微观上发生着复杂的物理和化学反应，反应机理如下：

O₂→2O

NO_X→N₂+O₂

SO_X→S+O₂

CO₂→C+O₂

O₂(+M)+O→O₃+(+M)

·OH+H₂S→HS+H₂O

O+H₂S→HS+·OH

·OH+NH₃→NH₂+H₂O

·OH+CO→CO₂+·H

工作过程中，超声空化和等离子体放电还可激发出大量的臭氧和紫外线，会以较强的氧化作用破坏微生物膜的结构，以实现杀菌作用。臭氧和紫外线对细菌的共同灭活反应进行的很迅速，与使用杀菌剂比较，超声空化和等离子体放电能与细菌细胞壁脂类的双键反应，穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡；超声空化和等离子体放电的能量可直接作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA，作用过程是首先作用于细胞膜，使膜构成成份受损伤，而导致新陈代谢障碍，继续渗透穿透膜，而破坏膜内脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细胞溶解、死亡。

超声空化等离子体水处理方法的作用机理：

1、“超声空化”现象表现出一种波的形式，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的能量，在水中传播距离远。此外，“超声空化”的波动现象能在水体介质中的反射、折射、衍射、散射传播，在超声范围，其波长可从几厘米至千分之几毫米。通常的水体中存在的其它物质的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领下降，可表现在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。

2、等离子体产生大量的高能电子的轰击，形成类似于电子束作用的效果。

3、放电产生强烈的紫外线照射，作用于水体的空化的气泡，起到了电化学处理的效果。

4、超声空化折出的气泡中含有的氧气与等离子放电过程结合，会产生大量的臭氧，臭氧反过来再溶解于水体中，对水体及存在的物质起到强氧化作用。

5、超声空化气泡与高压放电产生的臭氧具有对水体灭菌、净化水体和强烈的脱色效果。

6、超声空化的波动能加上空泡的大量产生、上浮、向介质密度小的区域扩散、聚合与破灭等动能的出现与变化，促进了水体的运动，并快速穿透于等离子体放电区域，把放电产生的自由基快速带向放电区以外，使等离子体作用范围迅速扩大。

7、等离子体放电对水体产生的作用力，结合于超声空化能量波的运动，合理的布置超声器件和等离子体工作区，能有效去除工作死区。

8、“超声空化”在传播时，会推动水体中的微粒振动而对微粒做功。在相同强度下，频率越高，它所具有的功率就越大。当超声空化现象出现在在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，能量波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大振幅的超声波作用于水体介质时，介质分子间的平均距离会超过使水体介质保持不变的临界分子距离，水体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使水体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使水体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的水体发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。

9、超声空化结合等离子体可产生较单纯等离子体的大量活性自由基，有显著的灭菌效果。

10、等离子体放电施加于超声空化的过程，不但促使水体内产生大量的臭氧，更有增强了空泡超声推力的扩散运动，空泡运载臭氧和水体溶解的臭氧会到达更广的范围。

11、超声空化大量的空泡作用于等离子体通道，大大增加了介质与等离子体的反应面积，不但工效大为提高，能源利用率大为提高。

12、超声空化与等离子体的共同作用，促进了上、中、下层水体的处理效果的均匀性。

13、当超声空化功率加大到雾化的气液混合状态时，可比正常水体更易实现电晕放电、辉光放电、射频放电、沿面放电，大大丰富了水体的等离子体应用手段。

14、超声空化等离子体共同作用大大提高等离子体的反应速率，实现非均匀相水体或液固混合反应物间的均匀作用，加速反应和扩散，促进新反应物的形成。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种超声空化等离子体水处理装置，其特征在于：它包括水箱（1），所述水箱（1）内设置有水体（2），所述水体（2）内设置有左右两个等离子体发生器（3），所述左右两个离子体发生器（3）下方均设置有安装撑架（9），所述安装撑架（9）上设置有超声空化换能件（5），所述超声空化换能件（5）外侧设置有防护罩壳（6），所述水箱（1）顶部设置有气体处理器（11），所述水箱（1）底部设置有污泥排放阀（8），所述水箱（1）外侧设置有进水阀（10）和排水阀（4），所述进水阀（10）的高度高于排水阀（4）。

2.一种超声空化等离子体水处理装置的处理方法，其特征在于：需处理的水体（2）通过进水阀（10）进入水箱（1）内，开启超声空化换能件（5）和等离子体发生器（3）共同作用于需处理的水体（2），经过一段时间后，水体（2）达到了处理排放指标，达到指标后的水体（2）通过排水阀（4）进行排放。

3.根据权利要求2所述的一种超声空化等离子体水处理装置的处理方法，其特征在于：所述箱体（1）的底部设有污泥排放阀（8），用于对处理水体（2）产生的沉淀物（7）积累到一定程度时进行排放。

4.根据权利要求2所述的一种超声空化等离子体水处理装置的处理方法，其特征在于：所述箱体（1）的顶部设有气体处理器（11），用于对箱体（1）内的废气收集并进行处理后排放，以保证整个水处理过程无异味排放。