CN109942059B

CN109942059B - 一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置

Info

Publication number: CN109942059B
Application number: CN201910263710.6A
Authority: CN
Inventors: 李�杰; 姜楠; 沙利斌
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2039-04-03
Also published as: CN109942059A

Abstract

一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，属于液体处理技术领域，包括放电等离子体电极系统、高压电源、蓄水箱。所述的放电等离子体电极系统与高压电源连接，蓄水箱内储存待处理的水体，通过水泵实现水体注入或者循环注入。电等离子体电极系统根据是否绝缘介质分为电晕(流光)放电等离子体电极系统和介质阻挡放电等离子体电极系统两种形式。本发明提供的放电等离子体水处理装置中放电等离子体在气相环境下发生，不受被处理水体参数影响，等离子体状态稳定；液膜分布均匀，调整多孔材料厚度实现液膜持液厚度调整，增加水体在反应器停留时间；利用多孔材料实现布水和催化剂载体于一体，降低能耗和运行成本。

Description

一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置

技术领域

本发明属于废水治理、给水处理、地下水和化学试剂改性等液体处理技术领域，涉及一种放电等离子体水处理器，尤其涉及一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置。

背景技术

目前，生物法污水处理技术广泛应用在工业废水和城市生活废水处理，但是对于废水高毒、难生化降解的有机污染物，存在处理效率低和无法达到排放要求的问题。化学法通过向废水中投加化学药剂，通过化学反应实现水体中污染物处理，但是由于污染水体中污染物种类多、浓度分布不均衡，势必导致化学药剂过量投加，由此导致新的污染物注入和造成二次污染。1987年，Glaze等人提出了高级氧化法（Advanced Oxidation Processes，简称AOP），它以•OH作为主要氧化剂氧化降解水体中有机物，有效克服了普通化学氧化法存在的氧化能力弱、选择性氧化的问题，特别是诞生一些新的高级氧化技术，如低温等离子体技术，是在不需要添加化学试剂的情况下诱发AOP反应过程，实现难生化毒性废水的有效处理。

大气压放电等离子体技术是低温等离子体技术主要形式，等离子体中电子温度高（高达万度以上），而气体温度很低（约几百度，甚至低到几十度），故称其为低温等离子体。大气压放电等离子体产生氧化性极强的•OH、•H、•O、O₃等活性粒子，并伴随高温热解、紫外辐射、冲击波等效应，通过这些物理化学效应的作用下，最终将水中有机污染物降解为CO₂、H₂O或其它有机物质，或者降解到其他水处理方法易处理的程度。大气压放电等离子体水处理技术，按照放电等离子体发生媒质分为液相放电、水面气相放电和气液两相混合等三种形式，其中液相放电和气液两相混合放电等离子体，由于被处理水体存在于电极之间，水体的电导率（导电性能）对放电等离子体状态和活性物质生成有很大的影响，由此导致放电等离子体处理废水效果不稳定，且电极易受腐蚀等问题存在。水面气相放电等离子体是在气相环境中发生，放电等离子体状态稳定，受水体电导率影响小。

对比文件1【气相放电等离子体水处理反应器及有机物降解研究，李楠，大连理工大学硕士学位论文，2007年12月】介绍了多针-板电晕反应器，多针高压电极安放在水的上面，板低压电极安放于水中，考察水层厚度对处理效果的影响，结果是水层厚度10mm的水处理效果高于水层厚度25mm水处理效果。对比文件2【针-板液膜电晕放电亚硫酸盐氧化方法的研究，任华，大连理工大学硕士学位论文，206年6月】介绍了多针-板电晕反应器，多针高压电极安放在水的上面，通过平流式推送和竖流式降膜在板低压电极上面形成一层水膜，考察流速对直流电晕放电氧化亚硫酸盐效果的影响。对比文件3【同轴降膜放电反应器等离子体降解布洛芬的技术研究，曾金辉，浙江大学硕士学位论文，2015年5月】介绍了同轴降膜脉冲放电反应器，考察流速对布洛芬降解效果的影响。在对比文件2和对比文件3中都阐述了流速增加对氧化或降解有利，而没有阐述液膜厚度对氧化和降解效果的影响，是因为溶液在竖流或降膜情况下，在板或筒壁上只能形成很薄的水膜，难以形成一定厚度的水膜。在对比文件2的研究过程中，由于溶液表面张力作用，不论是平流式推送和竖流式降膜方法都遇到了水膜在板电极上分布不均匀的问题，进而导致有水膜的区域电极间隙小，易产生火花放电，影响放电正常进行。另外，平流式推送和竖流式降膜方法形成的水膜厚度非常小，这样反应器单次处理水量小，虽然水处理效率高，但是处理污染量少。再者，这类放电等离子体处理污染物原理，主要是通过•OH、•O、O₃等高活性粒子作用，而其中的H₂O₂、O₂ ^-紫外光等低活性粒子作用效果小，因此是放电等离子体水处理能量利用效率不高。

发明内容

本发明是针对水膜在低压电极平板或者低压电极筒壁上难以形成均匀分布、一定厚度的水膜，导致放电状态不稳定和液体单次通过等离子体区域时间短的问题，以及等离子体理化活性没有充分利用的问题，提出一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，包括放电等离子体电极系统9、高压电源10、蓄水箱11、水泵12。所述的放电等离子体电极系统9包括电晕（流光）放电等离子体电极系统和介质阻挡放电等离子体电极系统两种形式。

所述的电晕（流光）放电等离子体电极系统包括高压电极、低压电极、多孔材料1，蓄水箱11内储存待处理的水体，通过水泵12实现水体注入或者循环注入。所述的多孔材料放置于低压电极表面。所述的低压电极与高压电源10的低压电极端连接后再与地极相连接，确保被处理水体始终处于低电位。所述的高压放电电极位于放电等离子体电极系统中部，与高压电源10的高压电极端连接，高压电源10对电晕（流光）放电等离子体电极系统施加直流高压电压或者脉冲高压电压。水体从低压电极一端均匀流过多孔材料1，并在低压电极形成水膜2（降膜2），从另一端流出进入蓄水箱11。

所述的介质阻挡放电等离子体电极系统根据绝缘介质8所处位置分为三种情况：

第一种是：所述的介质阻挡放电等离子体电极系统包括高压放电电极、低压电极、多孔材料1、绝缘介质8，蓄水箱11内储存待处理的水体，通过水泵12实现水体注入或者循环注入。所述的绝缘介质8放置于低压电极表面（如图2（b）、图2（d）、图2（f）、图2（h）、图2（i）），多孔材料1放置于绝缘介质8表面，低压电极与高压电源10的低压电极连接后再与地极相连接，确保被处理水体始终处于低电位。所述的高压放电电极与高压电源10的高压电极连接，高压电源10对介质阻挡放电等离子体电极系统施加交流高压电压或者脉冲高压电压。水体从低压电极一端流入，均匀流过多孔材料1并在多孔材料1上形成水膜2（降膜2），从另一端流出进入蓄水箱11。

第二种是：所述的介质阻挡放电等离子体电极系统包括高压放电电极、低压电极、多孔材料1、绝缘介质8，蓄水箱11内储存待处理的水体，通过水泵12实现水体注入或者循环注入。所述的绝缘介质8放置于高压电极表面（如图2（g）和图2（j）），多孔材料1放置于低压电极表面，低压电极与高压电源10的低压电极连接后再与地极相连接，确保被处理水体始终处于低电位。所述的高压放电电极与高压电源10的高压电极连接，高压电源10对介质阻挡放电等离子体电极系统施加交流高压电压或者脉冲高压电压。水体从低压电极一端流入，均匀流过多孔材料1并在多孔材料1上形成水膜2（降膜2），从另一端流出进入蓄水箱11。

第三种是：所述的介质阻挡放电等离子体电极系统包括高压放电电极、低压电极、多孔材料1、绝缘介质8，蓄水箱11内储存待处理的水体，通过水泵12实现水体注入或者循环注入。所述的绝缘介质8分别放置于高压电极、低压电极表面（如图2（k）和图2（l）），多孔材料1放置于低压电极表面的绝缘介质8上，低压电极与高压电源10的低压电极连接后再与地极相连接，确保被处理水体始终处于低电位。所述的高压放电电极与高压电源10的高压电极连接，高压电源10对介质阻挡放电等离子体电极系统施加交流高压电压或者脉冲高压电压。水体从低压电极一端流入，均匀流过多孔材料1并在多孔材料1上形成水膜2（降膜2），从另一端流出进入蓄水箱11。

所述的绝缘介质8由玻璃片板或陶瓷片板或玻璃圆筒或陶瓷圆筒组成。所述的高压放电电极包括金属线4形结构、金属针5形结构、金属棒7结构、金属圆筒6。所述的低压电极是金属平板3结构、金属圆筒6结构、金属棒7结构。通过增加金属线4的长度和数量、金属针5的数量、金属平板3或金属筒6的面积，增加多孔材料1的面积，增加催化剂质量，来增加放电等离子体电极系统9处理水体的规模。

当低压电极为金属平板3结构，包括以下结构形式：

线-板式电晕（流光）放电等离子体电极结构系统（高压电极为金属线4 +低压电极为金属平板3）；线-板式介质阻挡放电等离子体电极结构系统（高压电极为金属线4 +低压电极为金属平板3），此时，绝缘介质8放置于低压电极表面；针-板式电晕（流光）放电等离子体电极结构系统（高压电极为金属针5 +低压电极为金属平板3）；针-板式介质阻挡放电等离子体电极结构系统（高压电极为金属针5+低压电极为金属平板3），此时，绝缘介质8放置于低压电极表面。

当低压电极为金属圆筒6结构时，包括以下结构形式：

线-筒式电晕（流光）放电等离子体电极结构系统（高压电极为金属线4+低压电极为金属圆筒6）（图2（e））；线-筒式介质阻挡放电等离子体电极结构系统（高压电极为金属线4 +低压电极为金属圆筒6），此时，绝缘介质8放置于低压电极表面（图2（f））；同轴圆筒式内电极单介质阻挡放电等离子体结构（高压电极为金属棒7 +低压电极为金属圆筒6），此时，绝缘介质8放置于高压电极表面（图2（g））；同轴圆筒式外筒电极单介质阻挡放电等离子体结构（高压电极为金属棒7 +低压电极为金属圆筒6），此时，绝缘介质8放置于低压电极表面（图2（i））; 同轴圆筒式双介质阻挡放电等离子体结构（高压电极为金属棒7 +低压电极为金属圆筒6），此时，绝缘介质分别放置于高压、低压电极表面（图2（k））。

当低压电极为金属棒7结构时，包括以下结构形式：

同轴圆筒式内电极单介质阻挡放电等离子体结构（低压电极为金属棒7+高压电极为金属圆筒6），此时，绝缘介质8放置于低压电极（金属棒7）表面（图2（h））；同轴圆筒式外筒电极单介质阻挡放电等离子体结构（低压电极为金属棒7 +高压电极为金属圆筒6），此时，绝缘介质8放置于高压电极表面（图2（j））；同轴圆筒式双介质阻挡放电等离子体结构（低压电极为金属棒7+高压电极为金属圆筒6），此时，绝缘介质8分别放置于高压、低压电极表面（图2（l））。

所述的金属线4电极直径范围是0.5mm-50mm。金属针长度1mm-50mm、针尖锥角为10度-45度。气体放电间距（高压电极与低压电极间距、高（低）压电极与介质间距、介质之间间距）范围是2mm-200mm可调。

所述的多孔材料1是筛网、纤维毡布或纤维棉或海绵网或过滤棉等多孔材料。多孔材料1上担载半导体光催化剂、臭氧催化剂或芬顿试剂等，诱发催化反应，增加•OH、•O、O₃等高活性粒子生成量，进而提高水处理效率，获得催化效果。多孔材料1的厚度范围是0.5mm-20mm、孔径范围是1μm（微米）-20mm。

所述的放电等离子体电极系统9可以是立式结构，也可以是水平卧式结构：立式结构中水体在重力作用下从上向下在低压电极表面多孔材料1上形成水膜2（也称为降膜），水平卧式结构中水体在水流推力作用下从低压电极表面多孔材料1一端流向另一端过程中形成水膜2。

所述的布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置可以是开放式也可以是封闭式：开放式时，放电间隙处充满空气；封闭式时，通过气泵向放电间隙补充气体，可以是空气、氧气、氮气或者富氧气体，调整补充气体成分达到调整放电等离子体状态和水处理效果的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，优点是放电等离子体在气相环境下发生，不受被处理水体参数影响，等离子体状态稳定；液膜分布均匀，调整多孔材料厚度实现液膜持液厚度调整，增加水体在反应器停留时间；利用多孔材料实现布水和催化剂载体于一体，使等离子体物理化学效应充分发挥作用，有利于提高等离子体能量利用效率，降低能耗和运行成本。

附图说明

图1为一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理系统示意图。

图2为布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理系统的电极结构示意图：

（a）线-板式电晕（流光）放电等离子体结构（高压电极为金属线电极4、低压电极为金属板电极3），此时水膜2流经低压电极端（水膜2总是流经低压电极端）。

（b）线-板式介质阻挡放电等离子体结构（高压电极为金属线电极4、低压电极为金属板电极3），此时绝缘介质8放置于低压电极表面，水膜2流经绝缘介质8表面。

（c）针-板式电晕（流光）放电等离子体结构；（高压电极为金属针电极5、低压电极为金属板电极3），此时水膜2流经低压电极端。

（d）针-板式介质阻挡放电等离子体结构；（高压电极为金属针电极5、低压电极为金属板电极3），此时绝缘介质8放置于低压电极表面，水膜2流经绝缘介质8表面。

（e）线-筒式电晕（流光）放电等离子体结构；（高压电极为金属线电极4，低压电极为金属圆筒电极6），此时水膜2流经低压电极端。

（f）线-筒式介质阻挡放电等离子体结构；（高压电极为金属线电极4，低压电极为金属圆筒电极6），此时绝缘介质8放置于高压电极表面，水膜2流经低压电极端。

（g）同轴圆筒式内电极单介质阻挡放电等离子体结构（外金属筒6降膜）（高压电极为金属棒电极7，低压电极为金属圆筒电极6），此时绝缘介质8放置于高压电极表面，水膜2流经低压电极端。

（h）同轴圆筒式内电极单介质阻挡放电等离子体结构（内电极7介质降膜）（高压电极为金属圆筒电极6，低压电极为金属棒电极7），此时绝缘介质8放置于低压电极表面，水膜2流经绝缘介质8表面。

（i）同轴圆筒式外筒电极单介质阻挡放电等离子体结构（外金属筒6介质降膜）（高压电极为金属棒电极7，低压电极为金属圆筒电极6），此时绝缘介质8放置于低压电极表面，水膜2流经绝缘介质8表面。

（j）同轴圆筒式外筒电极单介质阻挡放电等离子体结构（内电极7降膜）（高压电极为金属圆筒电极6，低压电极为金属棒电极7），此时绝缘介质8放置于高压电极表面，水膜2流经绝缘介质8表面。

（k）同轴圆筒式双介质阻挡放电等离子体结构（外金属筒6介质降膜）（高压电极为金属棒电极7，低压电极为金属圆筒电极6），此时绝缘介质8分别放置于高压和低压电极表面，水膜2流经绝缘介质8表面。

（l）同轴圆筒式双介质阻挡放电等离子体结构（内电极7介质降膜）（高压电极为金属圆筒电极6，低压电极为金属棒电极7），此时绝缘介质8放置于高压和低压电极表面，水膜2流经绝缘介质8表面。

图中：1多孔材料；2水膜；3金属平板；4金属线；5金属针；6金属筒；7金属棒；8绝缘介质；9放电等离子体电极系统；10高压电源；11蓄水箱；12水泵。

具体实施方式

为使本发明描述的更为清楚明了，下面结合附图对本发明的实施方式进行进一步的描述说明。

一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，实际上，可以内电极是高压、外电极是低压，也可以内电极是低压、外电极是高压，但不论哪种情况、无论是否存在绝缘介质8，多孔材料1和水膜2始终在低压电极一侧。具体实施例如下：

本实施例中选取线-板式电极结构的布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置的应用对象，参阅图1和图2（a），一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，是由放电等离子体电极系统9、高压电源10和蓄水箱11组成。所述的放电等离子体电极系统9内部包括高压电极的金属线4、低压电极的金属板3、多孔材料1的活性炭纤维毡布。多孔材料1的纤维毡布平铺在低压电极的不锈钢金属板3表面上，水体是上端流入，均匀的流过多孔材料1的纤维毡布上，在多孔材料1的纤维毡布上水膜2，从下端流出，在多孔材料1纤维毡布上担载半导体光催化和O₃催化的催化剂，增加•OH生成量，进而提高水处理效率，获得催化效果。所述的高压电源10是直流高压电源或者脉冲高压电源，高压电源10的高压输出端与金属线4连接，高压电源10的低压输出端与金属板3连接。所述的蓄水箱11是储存待处理的水体，通过蠕动泵12将被处理水体注入到放电等离子体电极系统9的上端。金属线4的直径为1mm、放电区域有效长度100mm，由5根金属线组成；两块不锈钢金属板3是尺寸150mm*150mm，板-板的内侧间距为50mm；在金属板3内表面铺上厚度3mm的活性炭纤维毡布，毡布尺寸是100mm*100mm；金属线4和金属板3之间距离为24.5mm。

本实施例中选取同轴圆筒式内电极单介质阻挡放电等离子体结构（内电极7介质降膜）装置的水处理方法为应用对象，参阅图1和图2（h），一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，由放电等离子体电极系统9、高压电源10和蓄水箱11组成。所述的放电等离子体电极系统9内部包括高压电极金属圆筒电极6、低压电极金属棒电极7、金属棒电极7外包覆着绝缘介质8和多孔材料1的活性炭纤维毡布。多孔材料1的纤维毡布放置在金属棒电极7外包覆的绝缘介质8表面，水体是上端流入，均匀的流过多孔材料1的纤维毡布上，在多孔材料1的纤维毡布上水膜2，从下端流出，在多孔材料1纤维毡布上担载半导体光催化和O₃催化的催化剂，增加•OH生成量，进而提高水处理效率，获得催化效果。所述的蓄水箱11是储存待处理的水体，通过蠕动泵12将被处理水体注入到放电等离子体电极系统9的上端。金属棒电极7直径为30mm、长度200mm；绝缘介质8管的内径30mm、外径35mm、长度250mm；在绝缘介质8管外表面周围铺上一层厚度3mm、高度200mm的活性炭纤维毡布；外金属筒6电极由内径50mm、外径52mm的金属箔片制成，长度为300mm；多孔材料1与外金属筒6电极间距为4.5mm；高压电源10是交流高压电源或者脉冲高压电源，高压电源10的高压输出端与外金属筒6电极连接，高压电源10的低压输出端与内电极7连接。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述的降膜放电等离子体水处理装置包括放电等离子体电极系统(9)、高压电源(10)、蓄水箱(11)、水泵(12)；所述的放电等离子体电极系统(9)包括电晕放电等离子体电极系统和介质阻挡放电等离子体电极系统两种形式，放电等离子体在气相环境下发生，气体放电间距范围是2mm-200mm；

所述的电晕放电等离子体电极系统包括高压放电电极、低压电极、多孔材料(1)，蓄水箱(11)内储存待处理的水体，通过水泵(12)实现水体注入或循环注入；所述的多孔材料(1)放置于低压电极表面，低压电极与高压电源(10)的低压电极端连接后与地极连接；所述的高压放电电极位于放电等离子体电极系统中部，与高压电源(10)的高压电极端连接；水体从低压电极一端均匀流过多孔材料(1)，并在低压电极表面形成水膜(2)，从另一端流出进入蓄水箱(11)；

所述的介质阻挡放电等离子体电极系统根据绝缘介质(8)所处位置分为三种情况：第一种是：所述的介质阻挡放电等离子体电极系统包括高压放电电极、低压电极、多孔材料(1)、绝缘介质(8)，蓄水箱(11)内储存待处理的水体，通过水泵(12)实现水体注入或者循环注入；所述的绝缘介质(8)放置于低压电极表面，多孔材料(1)放置于绝缘介质(8)表面，低压电极与高压电源(10)的低压电极连接后与地极相连接；所述的高压放电电极与高压电源(10)的高压电极连接；水体从低压电极一端流入，均匀流过多孔材料(1)并在多孔材料(1)上形成水膜(2)，从另一端流出进入蓄水箱(11)；

第二种是：所述的介质阻挡放电等离子体电极系统包括高压放电电极、低压电极、多孔材料(1)、绝缘介质(8)，蓄水箱(11)内储存待处理的水体，通过水泵(12)实现水体注入或者循环注入；所述的绝缘介质(8)放置于高压电极表面，多孔材料(1)放置于低压电极表面，低压电极与高压电源(10)的低压电极连接后与地极相连接；所述的高压放电电极与高压电源(10)的高压电极连接；水体从低压电极一端流入，均匀流过多孔材料(1)并在多孔材料(1)上形成水膜(2)，从另一端流出进入蓄水箱(11)；

第三种是：所述的介质阻挡放电等离子体电极系统包括高压放电电极、低压电极、多孔材料(1)、绝缘介质(8)，蓄水箱(11)内储存待处理的水体，通过水泵(12)实现水体注入或者循环注入；所述的绝缘介质(8)分别放置于高压电极、低压电极表面，多孔材料(1)放置于低压电极表面的绝缘介质(8)上，低压电极与高压电源(10)的低压电极连接后与地极相连接；

所述的高压放电电极与高压电源(10)的高压电极连接；水体从低压电极一端流入，均匀流过多孔材料(1)并在多孔材料(1)上形成水膜(2)，从另一端流出进入蓄水箱(11)；

所述的多孔材料(1)上担载催化剂，诱发催化反应，调整多孔材料(1)厚度实现液膜持液厚度的调整；

所述的多孔材料(1)包括筛网、纤维毡布、纤维棉、海绵网或过滤棉；多孔材料(1)上担载的催化剂包括半导体光催化剂、臭氧催化剂或芬顿试剂；孔径范围是1μm-20mm。

2.根据权利要求1所述的一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述的高压放电电极包括金属线(4)形结构、金属针(5)形结构、金属棒(7)结构、金属圆筒结构；所述的低压电极包括金属平板(3)结构、金属圆筒结构、金属棒(7)结构。

3.根据权利要求2所述的一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述的金属线(4)电极直径范围是0.5mm-50mm；金属针(5)长度1mm-50mm、针尖锥角为10度-45度。

4.根据权利要求1所述的一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述的绝缘介质(8)由陶瓷片板或者陶瓷圆筒组成。

5.根据权利要求1所述的一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述的放电等离子体电极系统(9)为立式结构或水平卧式结构：立式结构中水体在重力作用下从上向下在低压电极表面多孔材料(1)上形成水膜(2)，水平卧式结构中水体在水流推力作用下从低压电极表面多孔材料(1)一端流向另一端过程中形成水膜(2)。

6.根据权利要求1所述的一种布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述的布水与催化集成的降膜放电等离子体水处理装置为开放式或封闭式：开放式时，放电间隙处充满空气；封闭式时，通过气泵向放电间隙补充气体。