CN109796096A - 一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置及方法，属于等离子体技术领域。管道中的自来水经过水均流装置去除大颗粒杂质并进行稳流后，通过圆孔通道进入微放电水处理装置。放电空间的低电压板上镀有电介质层，高电压电极板上分布有微圆锥形电极。自来水从电介质层流过，当外加纳秒脉冲电源电压达到放电击穿电压后，在水层表面和微圆锥形电极之间形成微放电，放电产生的等离子体中活性物种和紫外线等对自来水中的微生物进行杀灭。本发明还可对自来水中的余氯和异味进行去除。从出水口得到的水即可直接饮用。本发明装置适用于家庭或者公共场所等小型化直饮水的处理。

Description

一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置及方法

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，涉及一种采用多阵列式微放电电极结构对家庭直饮水和公共场所直饮水进行杀菌灭藻处理的低温等离子体技术。

技术背景

随着生活质量的提高，现代人更加注重生活饮用水的质量问题。与之相矛盾的是随着经济的快速发展造成水源遭受到前所未有的污染。在日常生活中，用户终端饮用点得到的饮用水来自市政自来水厂，但由于在输送过程中管网系统、水塔贮水等都会造成一定程度的二次污染，导致终端饮用水中细菌和藻类等有害微生物的滋生。目前市场上常用的家庭饮用水净水器技术，主要包括反渗透、纳滤、超滤、活性炭微滤等。这些处理技术只能对微生物等进行简单过滤处理，过滤后的微生物在滤网膜上滋生蔓延，影响滤网膜的使用寿命，严重危害饮用水的质量，减弱了净水器的客户体验效果。

低温等离子体处理技术作为一种新兴的水处理高级氧化还原技术，在饮用水处理工艺中受到越来越多的关注。针对水体的有机污染物问题，放电等离子体中的活性物种可以通过与重金属元素反应并生成对应的氧化物，最终形成凝絮类物质，并通过过滤等工艺去除；放电产生的等离子体协同高能电子、强电场、紫外线以及大量活性物种等对污染水体中的细菌及藻类能够有效杀灭，并能降解微生物的代谢毒素。目前市政自来水厂杀毒技术主要是采用成本较低的氯气杀毒法，但氯气消毒产生的含氯副产物使水体安全性下降，同时水体微生物死亡所产生的二次污染及化学药剂的生物富集影响终端饮用水的安全。即使现在自来水厂开始关注高级氧化还原技术，并希望采用等离子体水处理方法及设备针对大流量水体处理，但需要提供特殊的气体环境(利用需要纯氧气环境来产生臭氧)，而且存在放电功率大，设备昂贵，不适合家庭及公共场所直饮水等场合的小型化应用。

针对家庭以及公共场合等终端饮用水处理要求，特提出本发明技术。

发明内容

本发明的目的在于针对现在终端饮用水点采用的滤网膜净水器存在的细菌和藻类滋生等问题，结合等离子体高级氧化还原技术，提供一种结构简单、多阵列式、杀菌效率高的终端直饮水微放电水处理装置，为家庭或者公共场所提供健康的饮用水。

直饮水微放电处理装置由水均流装置和微放电水处理装置组成。水均流装置一端装载有活性炭并连接自来水管，能对自来水进行预处理去除大颗粒杂质，然后利用均流板对自来水进行分流稳流处理，经分流后流速变得平缓的自来水经过管道流入微放电水处理装置。微放电水处理装置采用多阵列式微放电结构，低压电极板表面镀有电介质层，防止水对电极的腐蚀；高压电极板上有均匀分布的圆锥形电极，进水口靠近低压电极一侧，防止水接触高压电极板；自来水从高压电极板和低压电极板之间流过，接通电源后在圆锥形电极和水表面之间形成微放电通道。自来水在多阵列式放电通道之间的流动能够促进水与等离子体的接触，提高杀菌和灭藻效率。放电还能对水中的余氯和异味进行去除。在微放电水处理装置末端设置有出水口，流出的水即为可直接饮用的水。

一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，该装置包括水均流装置和微放电水处理装置；

所述的水均流装置包括水均流腔体1、进水口2、活性炭层3、圆柱管道4、均流板5和水均流腔体侧板6；所述的进水口2设置于水均流腔体1的顶端，圆柱管道4设置于水均流腔体1的底端，进水口2和圆柱管道4均与水均流腔体1为整体设计；进水口2上装载有活性炭层3，用于对进入的自来水进行预处理，去除大颗粒杂质；所述的均流板5设置于水均流腔体1中部，与水均流腔体1的上下底面平行，均流板5开设均匀分布的微孔，微孔的直径尺寸从均流板5的中心位置分别向水平竖直两个方向逐渐增加；

所述的微放电水处理装置包括圆孔通道7、出水口8、水处理腔体9、水处理腔体底板10、绝缘层11、插槽12、高压电极板13、圆锥形电极14、低压电极板15、电介质层16和水处理腔体侧板17；

所述的绝缘层11间隔设置于水处理腔体9中，且平行于水处理腔体9的上下底面，各个绝缘层11的一端与水处理腔体9整体设计，另一端与水处理腔体9留有通道，将水处理腔体9间隔形成蛇形通道；在水处理腔体9的侧壁上开设插槽12，插槽12位于绝缘层11与水处理腔体9整体设计一端的上下两侧，以及水处理腔体9顶板、水处理腔体底板10的一侧，用于安放高压电极板13和低压电极板15；所述的高压电极板13布置于水处理腔体9顶板和绝缘层11的下表面；所述的低压电极板15布置于水处理腔体底板10和绝缘层11的上表面；所述的圆锥形电极14均匀分布在高压电极板13上；所述的电介质层16采用镀膜法均匀镀在低压电极板15上，圆锥形电极14和电介质层16相向而对形成放电空间；所述的圆孔通道7设置于水处理腔体9的一侧，并靠近低压电极板15，与水均流装置的圆柱管道4相通；在所述蛇形通道的末端处设置出水口8；水处理腔体9内预留有两根导线，一根导线通过插槽12连接所有高压电极板13，并外接到电源的正极；另一根导线通过插槽12连接所有低压电极板15，并外接到地电极。

所述圆锥形电极14的底面直径为1-1.5mm，圆锥高度为0.5-1mm；高压电极板14上相邻两个圆锥形电极14的中心距离为2-3mm。

所述的高压电极板13、低压电极板15和圆锥形电极14采用金属导体材质。

所述的电介质层16采用α-Al₂O₃材质。

所述的圆柱管道4、水处理腔体9、水处理腔体底板10、绝缘层11和水处理腔体侧板17采用绝缘材质。

所述均流板5上的微孔直径在0.5mm到2mm之间。

所述的电源为高压纳秒脉冲电源。

一种基于多阵列式微放电的直饮水处理方法，该方法首先将自来水通入水均流装置，经过进水口2上预先装载的活性炭层3来去除大颗粒杂质；然后经过均流板5稳流后，通过圆孔通道7进入微放电水处理装置；随后水体从电介质层16流过，当外加电源电压达到放电击穿电压后，在水层表面和圆锥形电极14之间形成微放电，放电产生的等离子体中活性物种和紫外线对自来水中的微生物及藻类进行杀灭，并去除异味；经过多个微放电层后自来水从出水口8流出，得到可直接饮用水。具体步骤如下：

步骤1：水均流装置组装。将活性炭装载到水均流腔体上端并连接自来水管道，然后在水均流腔体里装载均流板5。

步骤2：微放电水处理装置组装。在水处理腔体中预留的位置从上向下依次插入高压电极板13与低压电极板15。高压电极板13上均匀分布有圆锥形电极14，低压电极板上镀有均匀电介质层16。水流经过圆锥形电极14和电介质层16之间，形成均匀放电通道。所有高压电极板13通过水处理腔体预留的导线连接电源，所有低压电极板15通过水处理腔体预留的导线连接地电极。

步骤3：水均流装置与微放电水处理装置装配。将水均流装置下端圆柱管道4插入微放电水处理装置圆孔通道7中，完成装置的组装。

步骤4：自来水处理。将外接的自来水管道接入进水口2，打开外接电源开关。自来水经过水均流装置流入微放电水处理装置，对微生物进行杀灭，还可去除水中余氯与异味，经过处理后通过水处理腔室末端流出，得到可直接饮用的水。

本发明的有益效果：(1)：自来水处理前预先经过水均流装置，避免了处理过程中由于水流过大导致的水的波动性与不稳定性，提高了放电的均匀性与稳定性；(2)采用圆锥形电极产生微放电通道，提高了等离子体处理效率，可大大降低能耗；(3)等离子体中活性物种直接与水样接触，能提高处理效率；(4)低压电极板表面镀有电介质层，并且水处理腔体圆孔通道靠近低压电极板一侧，这样水既不腐蚀低压电极也不接触高压电极；(5)采用多个重复的阵列式放电电极单元，可有效提高水处理的能力。

附图说明

图1为水均流装置剖视立体图。

图2为微放电水处理装置剖视图。

图3为电极板结构单元正视示意图。

图4为水均流装置立体示意图。

图5微放电水处理装置立体示意图。

图中：1水均流腔体；2进水口；3活性炭层；4圆柱管道；5均流板；6水均流腔体侧板；7圆孔通道；8出水口；9水处理腔体；10水处理腔体底板；11绝缘层；12插槽；13高压电极板；14圆锥形电极；15低压电极板；16电介质层；17水处理腔体侧板。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。

一种多阵列式微放电用于直饮水处理的装置，由水均流装置和微放电水处理装置组成。

水均流装置由水均流腔体1，进水口2，均流板5，水均流腔体侧板6和圆柱管道4组成。进水口2与水均流腔体1为整体设计；圆柱管道4和水均流腔体1为整体设计。均流板5上设计有均匀分布的微孔，其中微孔直径从中心位置向水平竖直两个方向逐渐增加。进水口2上装载有活性炭层3，对进入的自来水进行预处理去除大颗粒杂质。水均流装置的圆柱管道4和微放电水处理装置的圆孔通道7相连。

微放电水处理装置由水处理腔体9，圆孔通道7，水处理腔体底板10，出水口8，绝缘层11，插槽12，高压电极板13，圆锥形电极14，低压电极板15，电介质层16和水处理腔体侧板17组成。圆孔通道7在水处理腔体9的一侧，并靠近低压电极板15，和水均流装置的圆柱管道4相连。圆锥形电极14均匀分布在高压电极板13上。电介质层16层采用镀膜法均匀镀在低压电极板15上。高压电极板13和低压电极板15从上往下依次间隔分布插入插槽12，在圆锥形电极14和电介质层16形成放电通道，当自来水流过时，在圆锥形电极14和水表层之间形成微放电。绝缘层11与水处理腔体9整体设计。高压电极板13，低压电极板15和圆锥形电极14采用金属导体材质；水处理腔体9，水处理腔体底板10，绝缘层11和水处理腔体侧板17采用绝缘材质。水处理腔体9内预留有两根导线，一根导线通过插槽12连接所有高压电极板13，然后外接到高压纳秒脉冲电源正极；一根导线通过插槽12连接所有低压电极板15，然后外接到地电极。所述圆锥形电极14的底面直径为1mm，圆锥高度为0.6mm；高压电极板13上相邻两个圆锥形电极14的中心距离为2mm。

一种多阵列式微放电用于直饮水处理的装置，步骤如下：

步骤1：水均流装置组装。将均流板5安装在水均流腔体1中，并在两侧安装上水均流腔体侧板6，即完成水均流装置的组装。在进水口2处安置有活性炭层3。本实施例中，水均流腔体1，进水口2，均流板5和水均流腔体侧板6采用的材质为白钢材料；均流板5上的微孔直径在0.5mm到2mm之间。

步骤2：微放电水处理装置组装。高压电极板13上预先均匀分布有圆锥形电极14，低压电极板15上预先采用镀膜法镀有电介质层16。将高压电极板13和低压电极板15从上向下依次间隔分布插入插槽12内，其中圆锥形电极14与电介质层16相向而对，形成放电空间。将水处理腔体底板10安装于水处理腔体9的底端，并在两侧安装上水处理腔体侧板17，即完成微放电水处理装置的组装。本实施例中，水处理腔体9，水处理腔体底板10，水处理腔体侧板17和绝缘层11采用绝缘的聚四氟乙烯材质；高压电极板13、圆锥形电极14和低压电极板采用白钢材质；电介质层采用α-Al₂O₃材质；微放电层数共设置四层构成四阵列式微放电结构；一组插槽12的中心位置相距10mm，高压电极板13和低压电极板15的厚度均为0.5mm，电介质层16厚度为0.5mm；圆锥形电极14的底面圆直径为1mm，高度为0.6mm，倒角40°。

步骤3：水均流装置与微放电水处理装置装配。将水均流装置的阵列式圆柱管道4插入微放电水处理装置的圆孔通道7中，即完成一种多阵列式微放电用于直饮水处理的装置的组装。本实施例中，圆柱管道4采用绝缘且无害的三型聚丙烯管(PPR管)材质。

步骤4：自来水处理。将外接的自来水管道接入进水口2，打开外接纳秒脉冲电源开关。自来水经过进水口2进入水均流装置，然后经过均流板5稳流后通过圆柱管道4流入微放电水处理装置，从电介质层16上流过，并在水层和圆锥形电极14之间产生微放电。放电产生的等离子体中活性粒子和紫外线等能够对自来水中的微生物和余氯等进行杀灭和去除，经过在多阵列式微放电中折返式处理后，自来水通过出水口8流出，即得到可直接饮用的水。

Claims (10)

1.一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，该装置包括水均流装置和微放电水处理装置；

所述的水均流装置包括水均流腔体(1)、进水口(2)、活性炭层(3)、圆柱管道(4)、均流板(5)和水均流腔体侧板(6)；所述的进水口(2)设置于水均流腔体(1)的顶端，圆柱管道(4)设置于水均流腔体(1)的底端，进水口(2)和圆柱管道(4)均与水均流腔体(1)为整体设计；进水口(2)上装载有活性炭层(3)，用于对进入的自来水进行预处理，去除大颗粒杂质；所述的均流板(5)设置于水均流腔体(1)中部，与水均流腔体(1)的上下底面平行，均流板(5)开设均匀分布的微孔，微孔的直径尺寸从均流板(5)的中心位置分别向水平竖直两个方向逐渐增加；

所述的微放电水处理装置包括圆孔通道(7)、出水口(8)、水处理腔体(9)、水处理腔体底板(10)、绝缘层(11)、插槽(12)、高压电极板(13)、圆锥形电极(14)、低压电极板(15)、电介质层(16)和水处理腔体侧板(17)；

所述的绝缘层(11)间隔设置于水处理腔体(9)中，且平行于水处理腔体(9)的上下底面，各个绝缘层(11)的一端与水处理腔体(9)整体设计，另一端与水处理腔体(9)留有通道，将水处理腔体(9)间隔形成蛇形通道；在水处理腔体(9)的侧壁上开设插槽(12)，插槽(12)位于绝缘层(11)与水处理腔体(9)整体设计一端的上下两侧，以及水处理腔体(9)顶板、水处理腔体底板(10)的一侧，用于安放高压电极板(13)和低压电极板(15)；所述的高压电极板(13)布置于水处理腔体(9)顶板和绝缘层(11)的下表面；所述的低压电极板(15)布置于水处理腔体底板(10)和绝缘层(11)的上表面；所述的圆锥形电极(14)均匀分布在高压电极板(13)上；所述的电介质层(16)采用镀膜法均匀镀在低压电极板(15)上，圆锥形电极(14)和电介质层(16)相向而对形成放电空间；所述的圆孔通道(7)设置于水处理腔体(9)的一侧，并靠近低压电极板(15)，与水均流装置的圆柱管道(4)相通；在所述蛇形通道的末端处设置出水口(8)；水处理腔体(9)内预留有两根导线，一根导线通过插槽(12)连接所有高压电极板(13)，并外接到电源的正极；另一根导线通过插槽(12)连接所有低压电极板(15)，并外接到地电极。

2.根据权利要求1所述的一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，所述圆锥形电极(14)的底面直径为1-1.5mm，圆锥高度为0.5-1mm；高压电极板(13)上相邻两个圆锥形电极(14)的中心距离为2-3mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，所述的高压电极板(13)、低压电极板(15)和圆锥形电极(14)采用金属导体材质；所述的圆柱管道(4)、水处理腔体(9)、水处理腔体底板(10)、绝缘层(11)和水处理腔体侧板(17)采用绝缘材质。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，所述的电介质层(16)采用α-Al₂O₃材质。

5.根据权利要求3所述的一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，所述的电介质层(16)采用α-Al₂O₃材质。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，所述均流板(5)上的微孔直径在0.5mm到2mm之间。

7.根据权利要求3所述的一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，所述均流板(5)上的微孔直径在0.5mm到2mm之间。

8.根据权利要求4所述的一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，所述均流板(5)上的微孔直径在0.5mm到2mm之间。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种基于多阵列式微放电的直饮水处理装置，其特征在于，所述的电源为高压纳秒脉冲电源。

10.采用权利要求1-9任一所述装置的自来水处理方法，其特征在于，该方法首先将自来水通入水均流装置，经过进水口(2)上预先装载的活性炭层(3)来去除大颗粒杂质；然后经过均流板(5)稳流后，通过圆孔通道(7)进入微放电水处理装置；随后水体从电介质层(16)流过，当外加电源电压达到放电击穿电压后，在水层表面和圆锥形电极14之间形成微放电，放电产生的等离子体中活性物种和紫外线对自来水中的微生物及藻类进行杀灭，并去除异味；经过多个微放电层后自来水从出水口(8)流出，得到可直接饮用水。