CN107298473A - 一种液相低温等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液相低温等离子体发生器，该发生器包括绝缘壳体、阴极棒、阳极环和隔板，所述绝缘壳体的一端设有介质出口、另一端设有介质入口，所述阴极棒、阳极环和隔板设在绝缘壳体内，所述阴极棒的一端固定在绝缘壳体设置介质入口的一端，所述隔板上设有多个过水孔，所述隔板套在阴极棒上，所述阳极环设在绝缘壳体设置介质出口的一端，所述阴极棒和阳极环同轴。本发明在使用时，介质由两个介质入口进入发生器，高速经过三级带孔隔板发生空化效应而产生大量微气泡，然后流向放电区，两电极在脉冲高电压的作用下，发生高压放电产生等离子体，用来降解有机污染物并杀灭微生物，效果非常好。

Description

一种液相低温等离子体发生器

技术领域

本发明涉及液相等离子体放电技术和水力空化技术领域，具体是一种液相低温等离子体放电发生器。

背景技术

1985年，克莱门茨博士和佐藤博士首创将高压脉冲应用于水下电极放电，以产生·OH自由基用来降解水中的有机污染物并杀灭微生物。研究发现放电电流通道的长度取决于所输入电压的大小、脉冲宽度、电极极化及水的电导率。证实了在脉冲高压作用下，有气泡鼓入时，大气泡被分离为很多微气泡，当通过中空部分向反应器内的去离子水中曝氧气时气体放电解离，在液相检测到臭氧，其浓度取决于电压、处理时间和供氧量，曝氮气时，没有发现臭氧的存在。以原日本群马大学教授Sato为代表的科研小组，对放电过程中的物理过程和化学过程进行了详细的研究。在实验中发现，电导率对自由基的密度有一定的影响，在电导率为10～80μS/cm时，主要的自由基如·OH、·H等的密度达到最大值，当电导率超过80μS/cm时，随着电导率的增加，自由基的密度又有所下降。他们认为较低的电导率(<10μS/cm)限制了液下无曝气放电反应器内电晕的进一步发展，因而影响了放电区域自由基的产量。Willberg和Lang 等分析了高压脉冲液相放电的特点，认为有机物在液体体系的降解可归结于两种因素：基于零级反应的物理作用和基于一级反应的等离子体作用。他们认为放电形成等离子体通道，一部分有机物在等离子体通道内被降解，一部分则在等离子体通道外被降解。本发生器同时采用了空化技术，水力空化是指当液体内部局部压力降低时(主要是由高流速引起压力降低)液体内部或液固交界面上形成的大量的微小气泡(空化气泡) 的形成、发展和溃灭过程。空化气泡随流体流出这个区域时，由于压力突然增大，气泡溃灭，从而产生空化效应。空泡溃灭能产生局部的高温高压、强烈的冲击波和高速微射流，这为在常温常压条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种非常特殊的物理化学环境。

水力空化降解有机物的主要途径有直接热分解、自由基反应、超临界水氧化作用等。水力空化发生装置有两种：一是文丘里管，二是孔板。孔板与文丘里管相比具有结构简单，易于调节的特点，并且在孔板流动中产生的空化强度要比文丘里管的高许多。通过采用多洞孔板进行节流，改变管路流量，使流体在通过孔板后的流速迅速增加，形成高流速，从而使孔板后的压力降低，当降低到一定程度时就会发生空化。

高压脉冲液相放电技术是一种新型的水处理高级氧化技术，是自由基氧化、高温热降解、高能电子轰击、臭氧氧化、紫外光降解、光化学氧化、超临界水氧化、空化降解等多种作用的综合体现。近年来，众多学者结合高压脉冲放电自身所具有的这些作用将该技术与其它高级氧化技术联合起来，从而进一步促进有机物的降解。

20世纪80年代以后，液相高压脉冲放电等离子体广泛应用在水污染控制方面的研究。针对废水中有毒有机污染物，国内在该领域取得了很大的进展。1996年以后，我国开始利用脉冲电晕来降解有机废水，李胜利等采用高压脉冲放电等离子体的方法处理研究结果发现，在初始溶液PH小于9.04，处理30s时，水样的上清液COD降低了42.6％。浙江大学利用四针-板电极形式的气液混相脉冲放电等离子体系统，由于增加了放电电极的个数，由此提供了反应体系的作用范围，达到了提高有机物降解效果的目的。实验结果表明，在脉冲电压峰值为20KV、脉冲频率为150HZ、电极间距为 18mm的操作条件下，放电30min时甲基红的降解效率达到99％。哈尔滨工业大学采用气液混相放电形式，并在放电电极之间添加活性氧化铝填料，由于填料的催化作用，亚甲基蓝、苯酚等有机物的脱除率得到很大的提高，对放电过程中产生的过氧化氢和臭氧的量进行测定，进而探讨苯酚的降解机理。向反应器中投加二价铁离子、三价铁离子、过氧化氢及粉末活性炭等催化剂能够提高苯酚的降解率。

发明内容

本发明的针对现有技术存在的问题，提供一种液相低温等离子体放电发生器，解决水中有机物污染的降解问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种液相低温等离子体发生器，其特征在于，该发生器包括绝缘壳体、阴极棒、阳极环和隔板，所述绝缘壳体的一端设有介质出口、另一端设有介质入口，所述阴极棒、阳极环和隔板设在绝缘壳体内，所述阴极棒的一端固定在绝缘壳体设置介质入口的一端，所述隔板上设有多个过水孔，所述隔板套在阴极棒上，所述阳极环设在绝缘壳体设置介质出口的一端，所述阴极棒和阳极环同轴。

进一步的，所述隔板设有三个，三个隔板间隔套在阴极棒上。

进一步的，所述阴极棒由金属钨材料制成，所述阳极环由黄铜制成，所述绝缘壳体由有机玻璃制成。

进一步的，所述隔板的外周紧贴绝缘壳体的内壁。

进一步的，所述阴极棒固定在绝缘壳体的一端穿出绝缘壳体，该端与绝缘壳体之间设有密封垫片。

进一步的，所述阳极环与绝缘壳体之间设有绝缘支撑，该阳极环通绝缘支撑固定在绝缘壳体上，所述绝缘支撑内设有将阳极环的接线点引至绝缘壳体外的铜导体。

进一步的，所述介质入口设有两个。

进一步的，所述绝缘壳体呈圆筒状，两个介质入口共径设置在绝缘壳体的侧壁，所述介质出口设置绝缘壳体的端部中心处。

与现有技术相比，本发明在使用时，介质由两个介质入口进入发生器，高速经过三级带孔隔板发生空化效应而产生大量微气泡，然后流向放电区，两电极在脉冲高电压的作用下，发生高压放电产生等离子体，用来降解有机污染物并杀灭微生物，效果非常好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1所示发生器的B-B剖面图；

图3为图1所示发生器的C-C剖面图；

附图标记说明：

1为阴极棒，2为一级隔板，3为二级隔板，4为三级隔板，5为绝缘支撑，6为阳极环，7为铜导体，8为绝缘接线盒，9为密封垫片，10为放电区域，11为绝缘壳体，12为介质入口，13为介质出口，14为过水孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种液相低温等离子体发生器，如图1～图3所示，该发生器包括绝缘壳体11、阴极棒1、阳极环6和隔板。绝缘壳体11的一端设有介质出口13、另一端设有介质入口12。阴极棒1、阳极环6和隔板设在绝缘壳体11内，阴极棒1的一端固定在绝缘壳体11设置介质入口12的一端。隔板上设有多个过水孔14，隔板套在阴极棒1上。阳极环6设在绝缘壳体11设置介质出口13的一端。阴极棒1没有固定在绝缘壳体11的一端端部处与阳极环6之间形成放电区域10。其中阴极棒1的外径为 12mm，考虑到放电产生温度高，阴极容易腐蚀，阴极选用熔点高的金属钨材料；阳极环6为保证放电面大，阳极环宽度为5mm，内径16mm，与阴极相距6mm，材质选用导电性能好的黄铜，与阴极同轴放置。

隔板设有三个：一级隔板2、二级隔板3、三级隔板4，三个隔板间隔套在阴极棒 1上，形成三级隔板。三级隔板为绝缘挡板，在高流速作用下产生空化效应于介质中，使放电区放电效果更好及增加水中有机污染物的降解效率。

隔板的外周紧贴绝缘壳体11的内壁。在此发生器易泄露连接处，需采取密封措施，在连接处增加密封垫片进行密封，密封垫片选用非导电的石墨材料，如：阴极棒1固定在绝缘壳体的一端穿出绝缘壳体，该端与绝缘壳体之间设有密封垫片9。

阳极环6与绝缘壳体之间设有绝缘支撑5，该阳极环通绝缘支撑固定在绝缘壳体上，绝缘支撑内设有将阳极环的接线点引至绝缘壳体外的铜导体7。

介质入口设有两个。绝缘壳体呈圆筒状，两个介质入口共径(连线穿过圆心)设置在绝缘壳体的侧壁，介质出口设置绝缘壳体的端部中心处。

本发明涉及的部件的具体说明如下：

(1)阴极棒

阴极采用棒状电极，棒电极平放，裸露的一端与水介质充分接触，并用绝缘挡板做支撑。之所以选棒电极为阴极是因为在电极间施加电压之后，电极之间的电场分布不均匀，棒电极的曲率半径小，附近为强电场，阴极附近的场强增加，可以大大增加阴极电子的逸出，同时也为电子逃离阴极后的加速创造了有利的条件。考虑到电弧产生时，温度极高，电极尤其是阴极容易受烧蚀，因此棒电极采用熔点高的金属钨，而且金属钨的机械强度高，抗烧蚀性强。

阴极棒露出发生器绝缘壳体，并设置绝缘接线盒，并在阴极棒与绝缘壳体之间增加密封垫片。

(2)阳极环

阳极为环形结构，与阴极同轴放置，其断面与阴极端面相平行，间距为6mm，环形阳极内径16mm，宽度5mm。环形阳极采用短阳极形式，不仅可以降低损耗，而且可以使受约束的电子流更均匀的在水中流动。阳极才用导电性能好的黄铜。阳极环固定于绝缘支撑上，并与阴极棒同轴，并用铜导体7将接线点引至绝缘壳体外，并设置绝缘接线盒8。

(3)三级隔板

隔板分三级设置，材质选用绝缘材料，中间设置多个过水孔，不仅可以保证供水的功能，而且起到了在水中空化效应产生微气泡的作用，从而增强放电效果。

为提高等离子体产生效果，污水由高压泵从等离子体发生器进水管口送入发生器，在通过发生器中设置的三级绝缘挡板多个孔时发生空化效应而产生大量的微气泡为后面的高压放电做前期处理准备。

(4)绝缘壳体

绝缘外壳为防止产生附加阴极放电腐蚀，推进器在工作时是处于周期性电弧环境中，要求所选的材料应具有抗电弧性。有机玻璃具有优异的抗电弧性，在电弧作用下材料表面不会产生碳化的导电通路和电弧径迹现象。因此，绝缘外壳的材料选用有机玻璃。

绝缘壳体上设置两个入口，一个出口，出入口管材均用绝缘材料。

(5)密封垫片

在各部件连接处容易发生泄漏的地方设置密封构件。在阴极和阳极漏出外壳处都有发生泄漏的可能，都应做好密封措施。所有的密封均采用压力密封。密封材料选择柔性石墨材料。

本发明在使用时，发生器的阴极和阳极需连接电源处理单元，该电源处理单元的合理设置是提高水处理效果的前提条件，所以高压脉冲电源是本发明的核心器件。电源充电方式采用恒流充电方式对储能电容进行充电，充电均匀并且速度快。高压脉冲电源高度集成与一体化，可以减小本发明的占地面积。高压脉冲电源峰值电压 10KV～30KV，频率范围100～1000HZ，额定电流1～5A，脉冲上升沿10～100ns，脉冲宽度1.5μs～10μs。阳极与阴极接线柱通过导线连接在高压脉冲电源上。

污水处理过程中，实验前首先做绝缘性检查，确保安全可靠。关闭高压脉冲电源，先通水在发生器中通水运行1min，将脉冲电源电压调为0V，频率设置在100HZ，脉冲上升沿100ns，脉冲宽度10μs。开启高压脉冲电源，逐渐升高电压至10KV，观察水质检测仪COD参数变化，观察变化效果。再升高电压至30KV，COD变化效果显著提高，调整流速使COD稳定在150mg/L。

经前期处理后的污水，进入阴极棒与阳极环之间的放电区域，在两电极之间施加高压脉冲电源。高压脉冲电源峰值电压30KV，脉冲频率500HZ，脉冲前沿10～100ns，双极性脉冲。处理介质经过快速上升且脉宽极短的脉冲时，水中放电产生非热等离子体。非热等离子体意味着电子能量或温度高于背景分子或离子。由于能量加在电子上，而不是离子和背景水分子上，当背景水周围温度基本保持不变时，电子可以获得 3～20eV的能量。流光电晕放电能够使能量效率得到很大提高，原因是在快速上升且脉宽极短的脉冲的作用下，离子不能进行较大距离的移动，因此不会产生能量消耗。瞬间高电场使电子获得能量并与周围的水进行碰撞，导致活性粒子或自由基的形成。这些活性粒子或自由基能与各种各样的有机化合物进行反应。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液相低温等离子体发生器，其特征在于，该发生器包括绝缘壳体、阴极棒、阳极环和隔板，所述绝缘壳体的一端设有介质出口、另一端设有介质入口，所述阴极棒、阳极环和隔板设在绝缘壳体内，所述阴极棒的一端固定在绝缘壳体设置介质入口的一端，所述隔板上设有多个过水孔，所述隔板套在阴极棒上，所述阳极环设在绝缘壳体设置介质出口的一端，所述阴极棒和阳极环同轴。

2.根据权利要求1所述的一种液相低温等离子体放电发生器，其特征在于，所述隔板设有三个，三个隔板间隔套在阴极棒上。

3.根据权利要求1所述的一种液相低温等离子体放电发生器，其特征在于，所述阴极棒由金属钨材料制成，所述阳极环由黄铜制成，所述绝缘壳体由有机玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的一种液相低温等离子体放电发生器，其特征在于，所述隔板的外周紧贴绝缘壳体的内壁。

5.根据权利要求1所述的一种液相低温等离子体放电发生器，其特征在于，所述阴极棒固定在绝缘壳体的一端穿出绝缘壳体，该端与绝缘壳体之间设有密封垫片。

6.根据权利要求1所述的一种液相低温等离子体放电发生器，其特征在于，所述阳极环与绝缘壳体之间设有绝缘支撑，该阳极环通绝缘支撑固定在绝缘壳体上，所述绝缘支撑内设有将阳极环的接线点引至绝缘壳体外的铜导体。

7.根据权利要求1所述的一种液相低温等离子体放电发生器，其特征在于，所述介质入口设有两个。

8.根据权利要求7所述的一种液相低温等离子体放电发生器，其特征在于，所述绝缘壳体呈圆筒状，两个介质入口共径设置在绝缘壳体的侧壁，所述介质出口设置绝缘壳体的端部中心处。