CN109761304A - 用于水处理的微波等离子体发生模块、反应器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波等离子体技术领域，涉及一种用于水处理的微波等离子体发生模块、反应器及其应用。所述微波等离子体发生模块用于安装在污水处理反应器的侧壁上，具有多层同轴结构，从里到外依次为内电极、绝缘层、导气层、绝缘层、外电极、绝缘层；所述导气层的外端连接进气口，进气口用于连接外界气路；还包括微波发生器、波导管；所述微波发生器产生的微波场经由波导管传输至电极上产生微波等离子体；所述外电极、内电极以及导气层的前端均用于设置在反应器内，用于与反应器中流经的待处理水体直接接触；所述微波发生器和波导管和进气口用于设置在反应器外，内电极与波导管连接，外电极接地。可在反应器内形成微波场，提高反应效率。
Description
技术领域
本发明属于微波等离子体技术领域，具体涉及一种用于水处理的微波等离子体发生模块、反应器及其应用。
背景技术
微波等离子体技术属于低温等离子体中的一种，相对于电弧放电等离子体，微波等离子体具有温度低，基本无等离子体噪声，微波发生器相对稳定等特点。微波发生器产生微波，经由波导管传输到微波电极上，电极末端周围形成强烈的微波场，进而击穿周围的气泡，产生等离子体，与辉光放电相似，微波等离子体产生的时候不会形成通导的等离子体通道，其等离子体效应集中在电极附近与气泡附近，能量更为集中。微波等离子体产生的同时，伴随着强烈的理化效应，可产生空化效应和生产大量的活性化学物质，比如·OH、·O、·HO2等自由基和双氧水、臭氧等强氧化物质，针对高浓度的难生物降解的有机污水有良好的处理效果。相对于传统的生物法、催化氧化法等有机废水处理方法，微波等离子体具有处理效率高，无二次污染，能耗低等突出的优势，有巨大的市场应用前景和经济、环境、社会效益。
微波等离子体技术，目前在国内仍然处于研究的初级阶段，尚未将微波等离子体技术和装备应用到实际工程当中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于水处理的微波等离子体反应器，其中的微波等离子体发生模块，以及污水处理方法。
技术方案如下：
一种微波等离子体发生模块，其特征在于，其用于安装在污水处理反应器的侧壁上，具有多层同轴结构，从里到外依次为内电极4、绝缘层2、导气层8、绝缘层2、外电极3、绝缘层2；
所述导气层8的外端连接进气口7，所述进气口7用于连接外界气路；
还包括微波发生器5、波导管6；所述微波发生器5产生的微波场经由波导管6传输至电极上产生微波等离子体；
所述外电极3、内电极4以及导气层8的前端均用于设置在所述反应器内，用于与所述反应器中流经的待处理水体直接接触；所述微波发生器5和波导管6和进气口7用于设置在反应器9外，所述内电极4与所述波导管6连接，所述外电极3接地。
优选所述外电极3、内电极4的材质为经过防蚀处理的微波导体材料；优选外电极3、内电极4的材质相同。
优选所述内电极4和外电极3的厚度为1mm-2.5mm，所述导气层8的厚度为1mm-2.5mm；优选内电极4、外电极3和导气层8的厚度相同。
优选所述微波发生器5设置为适合产生功率在400W-1000W之间的微波场。
一种用于水处理的微波等离子体反应器，其特征在于：
包括反应器9，进料口12，出料口13，以及任一所述的微波等离子体发生模块1；所述进料口12和出料口13分别设置在所述反应器9的两端，所述进料口12用于导入待处理污水，所述出料口13用于排出处理后的水；所述微波等离子体发生模块1以插装方式安装在所述反应器9的侧壁上。
优选所述微波等离子体发生模块1为多个，均匀分布安装在反应器9的侧壁上。
优选所述进料口12连接有调节阀11、流量计10和进料泵14，用于检测和调节需处理水样的流速。
优选所述反应器9上设有可视化窗口15，用于观察反应器9内微波放电情况。
上述任一所述的等离子体发生模块在处理污水中的用途，其特征在于，预备有一个或多个安装口的反应器侧壁上，每个安装口插装一个所述等离子体发生模块，其中所述外电极3、内电极4以及导气层8的前端均用于设置在所述反应器内，用于与所述反应器中流经的待处理水体直接接触；所述微波发生器5和波导管6和进气口7用于设置在反应器外，所述内电极4与所述波导管6连接，所述外电极3接地；
通过产生微波等离子体对污水进行处理。
本发明基于上述任一微波等离子体反应器，提供一种处理污水的方法，步骤如下：
向所述反应器9内打入自来水，并开启所述微波等离子体发生模块1；
调节所述微波发生器5的功率，使微波电极附近产生气泡；
待观察到稳定的微波等离子体后，由进料口12将污水打入反应器9内，并调节流速控制反应时间。
优选地，在所述使微波电极附近产生气泡的过程中，通过所述进气口7为所述微波等离子体发生模块1通入气体以加快微波等离子体的产生。
本发明提供的一种微波等离子体发生模块，运行时，由所述微波发生器产生微波场，经由所述波导管将微波场传输至所述内电极，所述内电极与所述外电极之间将产生定向的微波场，由于微波场的热效应，电极周围的水体将会被急速的加热，从而产生微小气泡，微波场激发气泡内的气体，产生等离子体。同时也可以通过所述进气口为每一个所述微波等离子体发生模块通入气体，气体以气泡的形式通过所述内电极与所述外电极之间的微波场，可快速的受到微波场的激发产生等离子体。产生等离子体的同时，可产生空化效应和生产大量的活性化学物质，比如·OH、·O、·HO2等自由基和双氧水、臭氧等强氧化物质。在不通入气体时，所述气路止回阀可防止反应器内液体流入气路中。
本发明提供的一种用于水处理的微波等离子体反应器，所述微波等离子体发生模块均匀分布在反应器上，其产生的微波场和微波等离子体作用于整个反应器内部空间，污水在通过反应器时受到微波场和微波等离子体的作用，其有机污染物迅速的被氧化分解，从而达到降低污水COD的目的。
本发明提出了一种新型微波等离子体发生模块，采用同轴电缆的设计方式，将微波电极和气孔集成在同一个模块上，在通入气体的时候，可以高效的击穿气体，在气泡范围内高效的产生等离子体，快速降低污水中的COD。微波等离子体发生模块以插装的方式均匀分布在管式反应器上，可在反应器内形成互相增强的微波场，可保证产生的微波等离子体的强度和均匀性，同时微波也具有高效的热效应，可快速的升高反应器内的温度，提高反应效率。本发明所提出的微波等离子体反应器结构简单、处理效率高，在高COD含量有机废水处理方面有重要的应用价值和工业前景。
附图说明
图1.本发明用于水处理的微波等离子体反应器的结构示意图；
图2.本发明微波等离子体发生模块的示意图；
其中，1-微波等离子体发生模块；2-绝缘层；3-外电极；4-内电极；5-微波发生器；6-波导管；7-进气口；8-导气层；9-反应器；10-流量计；11-调节阀；12-进料口；13-出料口；14-进料泵；15-可视化窗口；16-气路止回阀；17-气路进气口。
具体实施方式
下述实施方式仅作为对本发明的解释和说明，不用于限制本发明的保护范围。
如图2所示，一种微波等离子体发生模块，其特征在于，其用于安装在污水处理反应器的侧壁上，具有多层同轴结构，从里到外依次为内电极4、绝缘层2、导气层8、绝缘层2、外电极3、绝缘层2；所述导气层8的外端连接进气口7，所述进气口7用于连接外界气路；还包括微波发生器5、波导管6；所述微波发生器5产生的微波场经由波导管6传输至电极上产生微波等离子体；所述外电极3、内电极4以及导气层8的前端均用于设置在所述反应器内，用于与所述反应器中流经的待处理水体直接接触；所述微波发生器5和波导管6和进气口7用于设置在反应器外，所述内电极4与所述波导管6连接，所述外电极3接地。
优选所述外电极3、内电极4的材质为经过防蚀处理的微波导体材料；优选外电极3、内电极4的材质相同。
优选所述内电极4和外电极3的厚度为1mm-2.5mm，所述导气层8的厚度为1mm-2.5mm；优选内电极4、外电极3和导气层8的厚度相同。
优选所述微波发生器5设置为适合产生功率在400W-1000W之间的微波场。
如图1所示，一种用于水处理的微波等离子体反应器，其特征在于：包括反应器9，进料口12，出料口13，以及任一所述的微波等离子体发生模块1；所述进料口12和出料口13分别设置在所述反应器9的两端，所述进料口12用于导入待处理污水，所述出料口13用于排出处理后的水；所述微波等离子体发生模块1以插装方式安装在所述反应器9的侧壁上。
优选所述微波等离子体发生模块1为多个，均匀分布安装在反应器9的侧壁上。
优选所述进料口12连接有调节阀11、流量计10和进料泵14，用于检测和调节需处理水样的流速。
优选所述反应器9上设有可视化窗口15，用于观察反应器9内微波放电情况。
优选所述反应器9为管式反应器。
污水通过所述进料口12进入整个系统，由所述进料泵14打入反应器内。所述调节阀11、流量计10用于监控和调节进入反应器的水流量，控制反应时间。
所述微波等离子体发生模块以插装的方式，呈网状均匀分布安装在反应器上，微波等离子体发生模块的电极插入到反应器内，并可以和其中的水体直接接触。
所述进气口7，可以连接外界气路，为反应提供额外的气体，可加速等离子体的产生。
设备运行时，首先向反应器内打入自来水，并开启微波等离子体发生模块，通过可视化窗口观察内部的放电和气泡产生情况，调节微波发生器的功率，使微波电极附近产生气泡，当气泡达到一定程度并均匀生成时，可观察到明亮的微波放电产生等离子体，也可在此过程中通入外界气体，加快微波等离子体的产生。待观察到稳定的微波等离子体后，由进料泵将污水打入反应器内，通过调节阀调节流速，控制反应时间。反应过程中，需要对微波等离子体产生的情况进行观察，调节微波发生器的功率，以防止等离子体的淬灭。
为了更好地说明本发明微波等离子体反应器的污水处理效果，提供以下具体实验例：
应用本发明的微波等离子体反应器在不同微波功率的条件下对四川某制药工业园区产生的合成制药废水处理实进行了中试实验，分别选择了1200W，2400W，3600W，4800W四个不同微波功率，分别在通入和不通入外界气体的情况下进行试验。
合成制药废水原始状态呈黄褐色液体，有较大异味，pH在10～11之间，COD平均值为41000mg/L。将原始制药废水分别在等离子体稳定后通入反应器中循环30分钟，最后检测处理后的COD值，结果见表1和表2，去除率最高可达到66.69％。
表1.不通入外界气体的情况下不同微波功率条件下COD去除效果
表2.通入外界气体的情况下不同微波功率条件下COD去除效果
由此可见，当打开调节阀11通入外界气体时，由于产生等离子体的同时，可产生空化效应和生产大量的活性化学物质，比如·OH、·O、·HO2等自由基和双氧水、臭氧等强氧化物质，明显增强了污水处理效果。
另外，在试验中申请人意外地发现，对于同样试验条件下，当内电极4和外电极3的厚度与导气层8的厚度相同时，污水的处理效果更好，这可能与同厚度时更有利于微波稳定均匀地产生有关。
Claims (10)
1.一种微波等离子体发生模块，其特征在于：其用于安装在污水处理反应器的侧壁上，具有多层同轴结构，从里到外依次为内电极(4)、绝缘层(2)、导气层(8)、绝缘层(2)、外电极(3)、绝缘层(2)；
所述导气层(8)的外端连接进气口(7)，所述进气口(7)用于连接外界气路；
还包括微波发生器(5)、波导管(6)；所述微波发生器(5)产生的微波场经由波导管(6)传输至电极上产生微波等离子体；
其中，所述外电极(3)、内电极(4)以及导气层(8)的前端均用于设置在所述反应器内，用于与所述反应器中流经的待处理水体直接接触；所述微波发生器(5)和波导管(6)和进气口(7)用于设置在反应器外，所述内电极(4)与所述波导管(6)连接，所述外电极(3)接地。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体发生模块，其特征在于：所述外电极(3)、内电极(4)的材质为经过防蚀处理的微波导体材料；优选外电极(3)、内电极(4)的材质相同。
3.根据权利要求1所述的微波等离子体发生模块，其特征在于：所述内电极(4)和外电极(3)的厚度为1mm-2.5mm，所述导气层(8)的厚度为1mm-2.5mm；优选内电极(4)、外电极(3)和导气层(8)的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的微波等离子体发生模块，其特征在于：所述微波发生器(5)设置为适合产生功率在400W-1000W之间的微波场。
5.一种用于水处理的微波等离子体反应器，其特征在于：
包括反应器(9),进料口(12)，出料口(13)，以及权利要求1-4任一所述的微波等离子体发生模块(1)；
所述进料口(12)和出料口(13)分别设置在所述反应器(9)的两端，所述进料口(12)用于导入待处理污水，所述出料口(13)用于排出处理后的水；
所述微波等离子体发生模块(1)以插装方式安装在所述反应器(9)的侧壁上。
6.根据权利要求5所述的用于水处理的微波等离子体反应器，其特征在于：所述微波等离子体发生模块(1)为多个，均匀分布安装在所述反应器(9)的侧壁上。
7.根据权利要求5所述的用于水处理的微波等离子体反应器，其特征在于：所述进料口(12)连接有调节阀(11)、流量计(10)和进料泵(14)，用于检测和调节需处理水样的流速。
8.根据权利要求5所述的用于水处理的微波等离子体反应器，其特征在于：所述反应器(9)上设有可视化窗口(15)，用于观察反应器(9)内微波放电情况。
9.权利要求1-4任一所述的微波等离子体发生模块在处理污水中的用途，其特征在于：预备有一个或多个安装口的反应器侧壁上，每个安装口插装一个所述微波等离子体发生模块，其中所述外电极(3)、内电极(4)以及导气层(8)的前端均用于设置在所述反应器内，用于与所述反应器中流经的待处理水体直接接触；所述微波发生器(5)和波导管(6)和进气口(7)用于设置在反应器外，所述内电极(4)与所述波导管(6)连接，所述外电极(3)接地；
通过产生微波等离子体对污水进行处理。
10.一种处理污水的方法，其特征在于：使用权利要求5-8任一所述的微波等离子体反应器；步骤如下：
向所述反应器(9)内打入自来水，并开启所述微波等离子体发生模块(1)；
调节所述微波发生器(5)的功率，使微波电极附近产生气泡；
待观察到稳定的微波等离子体后，由进料口(12)将污水打入反应器(9)内，并调节流速控制反应时间；
优选地，在所述使微波电极附近产生气泡的过程中，通过所述进气口(7)为所述微波等离子体发生模块(1)通入气体以加快微波等离子体的产生。
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