CN108264026B - 滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，包括供水单元的水泵抽取水箱内的水至水槽，水槽里的水透过孔洞，顺着引水刷流到传动薄膜上，电机带动薄膜转动时与靠近薄膜的引水刷摩擦，从而水槽中的水通过引水刷刷到薄膜上，进气单元的气泵将气源中的氧气以一定的流量压进装置内，DBD单元对传动薄膜上的水膜进行放电，产生双氧水，还包括气体回收单元、双氧水收集单元、光谱检测单元、可编程AC/DC电源、PDM高压激励电源和辅助电源。本发明采用DBD原理制取双氧水，采用滚筒履带式一体化生产模式，实现从原料获取到产物收集的全自动生产方式，实现了快速制取双氧水的功能。

Description

滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置
技术领域
本发明涉及一种滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，属于双氧水制备技术领域。
背景技术
双氧水是一种绿色氧化剂，反应产物无污染，与绝大多数物质都能发生化学反应，具有反应速度快、反应用量小、反应可控的特点，被广泛应用于漂白工业、合成工业、电镀工业、三废处理、食品和医药工业等领域。
目前工业上主要采用蒽醌法生产双氧水(H2O2)，用蒽醌法生产双氧水存在工艺复杂，设备投资大以及环境污染等严重问题，而且还存在反应器体积庞大，单次生产周期时间长的缺点；此外，生产过程中仍不可避免催化剂粉碎、结块、蒽醌降解、氢效低、催化剂中毒等问题。采用钯、金等贵金属负载催化剂将氢氧直接合成双氧水的方法，存在着高选择性与高转化率不可兼得，产物有杂质，不易分离等弊端。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，采用介质阻挡放电(DBD)原理制取双氧水，采用滚筒履带式一体化生产模式，实现通过氧气和水到产物收集的全自动生产方式，实现了快速制取双氧水的功能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，包括密封箱体、进气单元、供水单元、电机传动机构、电机驱动单元、电机控制单元、DBD单元、气体回收单元、双氧水收集单元、光谱检测单元、可编程AC/DC电源、PDM高压激励电源和辅助电源；其中，电机传动机构和DBD单元共同构成双氧水生成单元，并且电机传动机构、DBD单元、双氧水收集单元和光谱检测单元置于密封箱体内；所述密封箱体上开有密封箱体上开有进气孔、出气孔和出水口；
所述进气单元由气源、气泵、调节阀、供气管道和气体流量计组成，气泵从气源抽取一定流量的气体经由供气管道接入密封箱体的进气孔，给双氧水制备装置提供一定流量的氧气；
所述供水单元由水箱、水泵、水阀、液体流量计、供水管道、水槽和下部的引水刷构成，水泵抽取水箱内的水经由供水管道至水槽，所述水槽底部设有孔洞，水槽里的水透过孔洞，顺着引水刷流到传动薄膜上，电机带动薄膜转动时与靠近薄膜的引水刷摩擦，从而水槽中的水通过引水刷刷到薄膜上；
所述电机传动机构由伺服电机和一系列伺服电机传动机构构成，所述DBD单元由高压滚筒电极和条状低压电极构成，电机轴套中心与全部高压滚筒电极转轴中心共线，且高压滚筒电极的半径与电机主动轮半径相等，先把传动薄膜套在高压滚筒电极和电机轴套上，后固定高压滚筒电极在密封箱体内的位置，水平移动电机至传动薄膜绷紧，高压滚筒电极和条状低压电极间形成放电间隙，在PDM高压激励电源作用下对水膜进行放电，产生双氧水；
所述光谱检测单元为光谱探头，用于检测放电间隙产生的羟基的相对光谱强度；所述可编程AC/DC电源用于设定PDM高压激励电源的输入电压及整个系统的功率；所述PDM高压激励电源为双氧水发生器的激励电源；所述辅助电源用于给电机驱动单元供电；所述双氧水收集单元采用收集槽收集双氧水，收集到的双氧水需经过系列富集提纯；所述气体回收单元将未完全反应的气体由出气孔通过压缩机增压进入气泵；
所述收集槽安装在距离最右端的滚筒中心10-30cm处，且刮板紧靠传动薄膜；所述光谱探头放置在传动薄膜上方3-12mm，并放置在任意一个低压电极旁，与低压电极之间水平距离为10-30mm；所述辅助电源给电机驱动单元供电，电机控制单元与电机驱动单元相连，电机驱动单元与电机传动机构相连；双氧水产生单元与气体回收单元相连，气体回收单元与进气单元相连；所述辅助电源与可编程AC/DC电源相连，可编程AC/DC电源与PDM高压激励电源相连；所述PDM高压激励电源的负极与DBD反应器的条状低压电极相连，PDM高压激励电源的正极与DBD反应器的高压滚筒电极相连，在高压滚筒电极上套上一层绝缘套作为放电介质层；
所述传动薄膜运行速度v，占空比D，相邻高压滚筒电极的间距L2，满足下式：
L2＝(2N+1)DTm,jv
其中，N为非零自然数，Tm,j为一个功率密度调制周期，
Figure BDA0001553543660000021
Ton,j为一个调功周期内的放电时间。
前述的高压滚筒电极和条状低压电极间的间距为0.5-2.5cm；所述高压滚筒电极和条状低压电极均由不锈钢材料构成。
前述的密封箱体采用塑料或有机玻璃绝缘材料。
前述的放电介质层采用聚四氟乙烯或橡胶。
前述的水槽底部孔洞的大小为0.5mm—2.5mm。
前述的收集槽整体结构为无盖U形槽，后板为刮板且高度高于前板10-30mm，并且具有30°-75°的斜度，U形槽的左右两侧任意侧开通，使刮下的双氧水流到密封箱体内，并从密封箱体的出水口流出，进行收集。
前述的占空比D取0.1～0.5。
前述的通过调节注入水槽的水的流量大小和水槽底部孔洞的大小调节水膜的厚度在0.1mm—0.5mm范围内。
前述的通过调节电机转速以及PDM高压激励电源的频率、电压幅度或放电功率，调节双氧水的产率。
本发明所达到的有益效果：
本发明采用DBD原理制取双氧水，采用滚筒履带式一体化生产模式，实现从原料获取到产物收集的全自动生产方式，实现了快速制取双氧水的功能。
本发明将未完全反应的气体重新通入装置内，循环利用，降低了生产成本。
本发明用刮板刮下产生的双氧水到收集槽，如此循环，高效产生双氧水。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为本发明装置的具体部件连接示意图；
图3为DBD单元示意图；
图4为双氧水收集单元结构示意图；
图5为水槽底部孔洞结构示意图；
图6为PDM高压激励电源供电波形图；
图7为本发明装置的工作流程图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置由进气单元、供水单元、电机传动机构、电机驱动单元、电机控制单元、DBD单元、气体回收单元、双氧水收集单元、光谱检测单元、可编程AC/DC电源、PDM高压激励电源、辅助电源等部分组成。其中，电机传动机构和DBD单元共同构成双氧水产生单元，具体的，
进气单元主要由气源、气泵18、调节阀19、供气管道20、气体流量计21组成，气泵18从气源抽取一定流量的气体经由供气管道20接入密封箱体的进气孔22，给整个系统提供一定流量的氧气，用作制备双氧水的原料；供水单元由水箱1、水泵3、水阀2、液体流量计5、供水管道4、水槽6和下部的引水刷7构成，水泵3从水箱1中抽取一定流量的水经由供水管道4进入水槽6，水槽6中的水通过引水刷7给整个传动薄膜均匀涂抹上水膜；电机传动机构由伺服电机和一系列伺服电机传动机构构成，伺服电机响应特性好、高速性能好且抗过载能力强；DBD单元采用滚筒不锈钢电极作为高压电极，低压电极采用不锈钢条状电极，高压电极与低压电极间的间距为0.5-2.5cm，用于对水膜进行放电，产生高浓度的双氧水；可设置多个DBD单元，如图2中，为两对高压电极和低压电极即两个DBD单元。电机17轴套中心与全部高压滚筒电极15转轴中心共线，且高压滚筒电极15的半径与电机17主动轮半径相等，如图2中的滚筒半径为R，先把传动薄膜16套在高压滚筒电极15和电机17轴套上，后固定高压滚筒电极15在密封箱体内的位置，电机位置可以水平移动，移动电机至传动薄膜绷紧，在运行过程中若皮带松弛，则移动电机至传动薄膜绷紧，即完成传动薄膜与电机轴套和高压滚筒电极的紧密连接。
光谱检测单元用于检测放电产生的特定活性物种的相对光谱强度；可编程AC/DC电源用于设定PDM高压激励电源的输入电压及整个系统的功率；PDM(功率密度调制)高压激励电源，作为DBD单元的激励电源，其供电功率密度、电压、放电强度都可进行调节，因此反应器的供电条件随着PDM高压激励电源的工作模式而改变；辅助电源主要给电机传动单元供电；双氧水收集单元采用收集槽收集，收集到的双氧水纯度较低，经过系列富集提纯工艺，获取高浓度双氧水；气体回收单元将未完全反应的气体由出气孔11通过压缩机23增压进入气泵18，循环利用，降低了生产成本。
各部分之间的连接关系如下：进气单元与供水单元分别与双氧水产生单元相连；双氧水收集单元与双氧水产生单元相连；由辅助电源给电机驱动单元供电，电机控制单元与电机驱动单元相连，电机驱动单元与电机传动机构相连；双氧水产生单元与气体回收单元相连，气体回收单元与进气单元相连；辅助电源与可编程AC/DC电源相连，可编程AC/DC电源与PDM高压激励电源相连，PDM高压激励电源与DBD单元相连。
如图2所示，密封箱体10把整个装置容纳其中，起到密封作用，密封箱体10上开有进气孔22、出气孔11和出水口12，材料可采用塑料、有机玻璃等绝缘材料。
供水单元由水箱1、水泵3、水阀2、流量计5、供水管道4、水槽6和下部的引水刷7构成，通过改变水泵的功率大小以控制送水的量，从而控制引水刷到传动薄膜上水量的大小，图5为水槽底部孔洞结构示意图，水槽底部开有密集的孔洞，孔洞的大小可以根据电机转速、放电条件和产量需求进行合理调节，孔径大小一般以0.5mm—2.5mm为宜，水槽里的水透过孔洞，顺着引水刷流到传动薄膜16上，电机17带动传动薄膜16转动时与靠近薄膜的引水刷7摩擦，从而水槽6中的水通过引水刷7刷到薄膜上。
DBD单元为DBD反应器，DBD反应器由高压滚筒电极15和条状低压电极9构成，具体连接结构图如图3所示，PDM高压激励电源的负极与DBD反应器的条状低压电极9相连，PDM高压激励电源的正极与DBD反应器的高压滚筒电极15相连，在高压滚筒电极上套上一层绝缘套作为放电介质层13，材料可为聚四氟乙烯、橡胶等，高压滚筒电极的长度为S。高压滚筒电极和条状低压电极均由不锈钢材料构成。当承载有水膜的传动薄膜经过放电间隙时，两电极进行放电，产生双氧水。
光谱检测单元8放置在传动薄膜16的上方3-12mm，与低压电极之间水平距离为10-30mm，可放置在任意一个低压电极附近用来检测放电间隙产生的羟基的相对光谱强度，用羟基的相对光量子产率来评估装置的能效比。
收集槽14如图4所示，收集槽14整体结构为无盖U形槽，后板为刮板且高度高于前板10-30mm，并且具有30°-75°的斜度以便于刮下双氧水膜，左右两侧任意侧开通，使刮下的双氧水流到密封箱体内，并从密封箱体的出水口12流出，进行收集，收集槽安装在距离最右端的滚筒中心10-30cm处，且刮板的刮尖与薄膜接触良好，当附着的双氧水膜经过刮板时，双氧水膜被刮进收集槽进行收集。
图6为PDM高压激励电源的典型供电波形，图中的Tm,j为一个功率密度调制周期，简称调功周期，对于一个固定频率的PDM电源，在调节电源的输出功率和电压时，Tm,j是固定的。图中的Ton,j为一个调功周期内的放电时间，由多个供电周期组成，在Tm,j固定时，通过改变Ton,j改变供电持续时间，即可改变供电能量。定义占空比为D＝Ton,j与Tm,j的比值。
由于双氧水不稳定，易分解，如果对已处理过的双氧水进行重复放电，则会造成双氧水分解，降低系统产生双氧水的能效比，同样如果在一个调功周期内没有把传动薄膜上的水进行放电处理，会降低生成物的产量。而PDM电源具有放电不连续，放电频率可调，供电周期个数可变等特点，本发明的重点是匹配PDM高压激励电源特性、电机转速和电极间距之间的关系，最大程度上提高双氧水产生能效比。
匹配原理如下：传动薄膜运行速度为v，电机与相邻的高压滚筒电极的间距为L1，相邻高压滚筒电极的间距为L2，如图2。
在一个调功周期内的放电时间内，传动薄膜需运行的长度Lon为：
Lon＝DvTm,j (1)
在一个调功周期内的不放电时间内，传动薄膜需运行的长度Loff为：
Loff＝(1-D)vTm,j (2)
电机角速度ω与转速n的关系为：
Figure BDA0001553543660000051
电机转动线速度v为：
Figure BDA0001553543660000052
其中，R为电机主动轮半径，电机传动速度v就是传动薄膜的运行速度。
占空比D、电机转动线速度v、相邻高压滚筒电极的间距L2之间需满足下式：
L2＝(2N+1)DTm,jv (5)
其中，N为非零自然数。
综上，电机的控制单元根据电源频率的信号与占空比，根据式(5)，设定电机转动线速度，从而达到匹配的目的，高效产生双氧水。
在实际应用中，当N为2，占空比D为0.5，一个调功周期的时间Tm,j为10ms，薄膜经过两电极需要4个调功周期，电机主动轮半径R为0.2m，两电极间距L2为0.52m时，可确定此时的电机转动线速度v为21m/s，所对应的转速n为16.7r/s即1000r/min。在实际应用中，D可取0.1～0.5，转速n可取700r/min～1300r/min。
本发明装置的工作过程如下：
检查电机系统是否正常工作，启动电机及电机驱动单元与电机控制单元进行预启动；检查传动薄膜是否松弛，若松弛则调整调紧螺丝进行紧缩，以保证与引水刷紧密接触、与下方的收集槽刮板紧密贴合；开启水泵，向水槽里以一定的流量加水，向水槽里注入不同流量的水，到传动薄膜上的水膜的厚度是不一样的，所以通过控制水流量以调控水膜厚度；检查装置的密封性。
在制备双氧水前先启动电机系统，待水槽中的水经过引水刷均匀刷到传动薄膜上时，打开PDM高压激励电源进行放电，承载水膜的传动薄膜经过放电间隙时，经过高压放电会变成双氧水，这时承载着双氧水膜的传动薄膜经过紧贴在下方的收集槽时，刮板将双氧水膜刮到收集槽中进行收集。光谱探头放置在放电间隙一旁，用来监测放电间隙中产生的羟基自由基等相对光谱强度。
待装置可以稳定运行时，可以调节电机转速以及PDM高压激励电源的系列参数，改变PDM高压激励电源的参数，如频率、电压幅度、放电功率等，可以调节产生DBD的强度、活性自由基、紫外线、氧原子和羟基产率，从而改变双氧水的产率。如：在不同放电功率下氧原子和羟基的含量不同，在传动薄膜转速相同时，双氧水的产率和其能效比完全不一样。改变PDM高压激励电源内部控制器的输出占空比而改变等离DBD的放电功率。
改变注入水槽的水的流量大小和底部密集孔洞孔径的大小可以改变水膜的厚度。实验表明，水膜在放电间隙中处理的时间、水膜的厚度都会影响处理效果。通常，水膜的厚度0.1mm—0.5mm为宜，若水膜太薄，则双氧水的产率较低，若水膜太厚，由于传动薄膜的转动作用，会把水甩出薄膜。随着传动薄膜转速的增大，水分子在放电间隙里滞留的时间减少，不能够充分反应。
本发明中采用介质阻挡放电原理制取双氧水，在放电反应过程中，会伴随着一系列的光化学反应，可直接利用光谱仪器对反应过程中各种物质的种类变化和浓度变化进行监测，尤其是监测参数发生变化时所引起的反应体系中各种物质的变化，例如可以根据放电过程中羟基自由基的相对光谱强度，来定量反映双氧水的产率，进行一些如放电参数、电机转速和水膜厚度的调节，以提高产率。
图7为双氧水制备的工艺流程图，其主要有原料气体液体产生、放电处理、产物收集提纯、回收残余气体等工艺流程。待处理的水和气体通入密封箱体内，原料水通过引水刷均匀刷到传动薄膜上，在氧气环境下进行介质阻挡放电产生双氧水。在双氧水产生单元，可以调节电机的转速、PDM高压激励电源的电参数如电压幅值、电源频率、占空比等，在不同的物理参数下，装置产生双氧水的效果是不同的。双氧水产生单元产生的双氧水由双氧水收集槽进行收集，这时经过一次放电产生的双氧水浓度较低，若需要高浓度的双氧水则需要进行富集分离提纯。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，其特征在于，包括密封箱体、进气单元、供水单元、电机传动机构、电机驱动单元、电机控制单元、DBD单元、气体回收单元、双氧水收集单元、光谱检测单元、可编程AC/DC电源、PDM高压激励电源和辅助电源；其中，电机传动机构和DBD单元共同构成双氧水生成单元，并且电机传动机构、DBD单元、双氧水收集单元和光谱检测单元置于密封箱体内；所述密封箱体上开有密封箱体上开有进气孔、出气孔和出水口；
所述进气单元由气源、气泵、调节阀、供气管道和气体流量计组成，气泵从气源抽取一定流量的气体经由供气管道接入密封箱体的进气孔，给双氧水制备装置提供一定流量的氧气；
所述供水单元由水箱、水泵、水阀、液体流量计、供水管道、水槽和下部的引水刷构成，水泵抽取水箱内的水经由供水管道至水槽，所述水槽底部设有孔洞，水槽里的水透过孔洞，顺着引水刷流到传动薄膜上，电机带动薄膜转动时与靠近薄膜的引水刷摩擦，从而水槽中的水通过引水刷刷到薄膜上；通过调节注入水槽的水的流量大小和水槽底部孔洞的大小调节水膜的厚度在0.1mm—0.5mm范围内；
所述电机传动机构由伺服电机和一系列伺服电机传动机构构成，所述DBD单元由高压滚筒电极和条状低压电极构成，电机轴套中心与全部高压滚筒电极转轴中心共线，且高压滚筒电极的半径与电机主动轮半径相等，先把传动薄膜套在高压滚筒电极和电机轴套上，后固定高压滚筒电极在密封箱体内的位置，水平移动电机至传动薄膜绷紧，高压滚筒电极和条状低压电极间形成放电间隙，在PDM高压激励电源作用下对水膜进行放电，产生双氧水；
所述光谱检测单元为光谱探头，用于检测放电间隙产生的羟基的相对光谱强度；所述可编程AC/DC电源用于设定PDM高压激励电源的输入电压及整个系统的功率；所述PDM高压激励电源为双氧水发生器的激励电源；所述辅助电源用于给电机驱动单元供电；所述双氧水收集单元采用收集槽收集双氧水，收集到的双氧水需经过系列富集提纯；所述气体回收单元将未完全反应的气体由出气孔通过压缩机增压进入气泵；所述收集槽安装在距离最右端的滚筒中心10-30cm处，且刮板紧靠传动薄膜；所述光谱探头放置在传动薄膜上方3-12mm，并放置在任意一个低压电极旁，与低压电极之间水平距离为10-30mm；所述辅助电源给电机驱动单元供电，电机控制单元与电机驱动单元相连，电机驱动单元与电机传动机构相连；双氧水产生单元与气体回收单元相连，气体回收单元与进气单元相连；所述辅助电源与可编程AC/DC电源相连，可编程AC/DC电源与PDM高压激励电源相连；所述PDM高压激励电源的负极与DBD反应器的条状低压电极相连，PDM高压激励电源的正极与DBD反应器的高压滚筒电极相连，在高压滚筒电极上套上一层绝缘套作为放电介质层；
所述传动薄膜运行速度v，占空比D，相邻高压滚筒电极的间距L2，满足下式：
L2＝(2N+1)DTm,jv
其中，N为非零自然数，Tm,j为一个功率密度调制周期，
Figure FDA0002828975730000011
Ton,j为一个调功周期内的放电时间。
2.根据权利要求1所述的滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，其特征在于，所述高压滚筒电极和条状低压电极间的间距为0.5-2.5cm；所述高压滚筒电极和条状低压电极均由不锈钢材料构成。
3.根据权利要求1所述的滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，其特征在于，所述密封箱体采用塑料或有机玻璃绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，其特征在于，所述放电介质层采用聚四氟乙烯或橡胶。
5.根据权利要求1所述的滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，其特征在于，所述水槽底部孔洞的大小为0.5mm—2.5mm。
6.根据权利要求1所述的滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，其特征在于，所述收集槽整体结构为无盖U形槽，后板为刮板且高度高于前板10-30mm，并且具有30°-75°的斜度，U形槽的左右两侧任意侧开通，使刮下的双氧水流到密封箱体内，并从密封箱体的出水口流出，进行收集。
7.根据权利要求1所述的滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，其特征在于，所述占空比D取0.1～0.5。
8.根据权利要求1所述的滚筒式介质阻挡放电水膜双氧水制备装置，其特征在于，通过调节电机转速以及PDM高压激励电源的频率、电压幅度或放电功率，调节双氧水的产率。
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