CN110451607A

CN110451607A - 一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法及装置

Info

Publication number: CN110451607A
Application number: CN201910741564.3A
Authority: CN
Inventors: 聂勇; 吴利航; 吕永波; 解庆龙; 吴振宇; 梁晓江; 卢美贞
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2019-11-15

Abstract

本发明公开了一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，它包括反应器壳体，反应器壳体上自上而下依次设置有气体出口、接地极、微孔曝气板、高压极和气体进口，接地极、微孔曝气板和高压极均水平安装于反应器壳体内部；微孔曝气板将反应器壳体内部分隔为上、下两个腔室，上腔室内部放置有吸附剂且上腔室内部盛有待处理的废水，废水将所述接地极完全浸没，且所述吸附剂展开悬浮于废水内部，所述吸附剂由聚氨酯泡棉板以及负载于聚氨酯泡棉板上的活性炭组成。而本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，能通过原位产生等离子体对废水中的有机物进行降解，大大提高了有机物的降解效率。

Description

一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法及装置。

背景技术

随着经济的发展，工业废水的治理越来越受到人们的重视。而含有难降解有机物的废水难以被传统的废水处理方法所有效治理，导致这些污染物在水中不断富集，严重危害了生态环境和人体健康。我国目前正面临着水资源短缺和水污染严重的双重环境问题。开展难降解废水处理的新技术已成为当前水污染处理的研究热点。

等离子体是物质第四态，包括正离子、负离子、高能电子、激发态原子分子和自由基等。等离子体技术作为一种高级氧化技术，近年来被广泛用于难降解废水处理的研究。等离子体中含有的臭氧、羟基自由基等活性组分可有效降解废水中的有机污染物，使有机物开环、断键，并最终达到矿化的目的。介质阻挡放电作为一种常见的等离子体放电形式因其结构简单、等离子体密度高且放电稳定均匀而被广泛研究。目前，等离子体技术处理废水还存在诸如能耗高、处理不够彻底的问题。

吸附法是常用的废水处理方法，活性炭是常用的吸附剂，但是在液体中，活性炭存在分布不均的问题，导致与废水接触不充分，使得处理效果不佳。此外，吸附法存在二次污染问题。

中国专利CN109133251A、CN105858988A公开了一种等离子体协同活性炭纤维去除水中污染物的装置，其采用等离子体反应器协同活性炭纤维去除废水中有机物，其具有处理效果高、能量利用率高、处理量高的优点，但是所采用的活性炭纤维成本较高。中国专利CN109621958A公开了一种低温等离子体协同催化降解草甘膦废水的方法，将非贵金属合金催化剂与待处理废水混合，然后置于等离子体放电通道下，利用等离子体产生的高能电子与催化剂协同作用，高效降解高盐度难降解草甘膦废水，但是其存在催化剂与废水中有机物接触不够充分的缺点。中国专利CN104445507A公开了一种纳秒高压脉冲放电等离子体协同二氧化钛光催化处理印染废水方法及装置，其把二氧化钛镀膜到放电极上，增加对染料降解的羟基自由基的数量，进而提高对染料废水的处理效率，但是其存在催化剂流失的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法及装置，本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置尤其适用于染料废水、医药废水、农药废水等废水进行处理。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：包括反应器壳体，所述反应器壳体上自上而下依次设置有气体出口、接地极、微孔曝气板、高压极和气体进口，所述接地极、微孔曝气板和高压极均水平安装于反应器壳体内部；所述微孔曝气板将反应器壳体内部分隔为上、下两个腔室，上腔室内部放置有吸附剂且上腔室内部盛有待处理的废水，废水将所述接地极完全浸没，且所述吸附剂展开悬浮于废水内部，所述吸附剂由聚氨酯泡棉板以及负载于聚氨酯泡棉板上的活性炭组成。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：所述下腔室内部填充有球形固态结构的介质颗粒，所述介质颗粒在下腔室内部堆积形成的床层将高压极的外表面完全覆盖。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：高压极为圆形片板结构，所述高压极通过第一电极杆安装在反应器壳体的下端内部；第一电极杆上端与高压极下表面固定连接，第一电极杆下端从反应器壳体底部穿出并与高压电源连接，第一电极杆中部与反应器壳体底部密封固定连接。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：接地极为圆形片板结构，所述接地极通过第二电极杆安装在反应器壳体的上端内部；第二电极杆下端与接地极上表面固定连接，第二电极杆上端从反应器壳体顶部穿出并与接地线连接，第二电极杆中部与反应器壳体顶部密封固定连接。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：反应器壳体侧部还设有液体进口和液体出口，所述液体进口的高度略大于微孔曝气板的高度，所述液体出口的高度大于接地极的高度并小于气体出口的高度。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：所述反应器壳体、微孔曝气板和介质颗粒的材质均为绝缘材料。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：所述介质颗粒为球形结构的玻璃珠或氧化铝珠；所述微孔曝气板为微孔陶瓷板或玻璃砂芯板。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法，其特征在于：反应器壳体的上腔室内部预先放置吸附剂，通过气体进口向反应器壳体的下腔室内部吹入载气，通过液体进口向反应器壳体的上腔室内部输入废水直至废水将接地极完全浸没；高压极通过第一电极杆接通高压电源，通电产生的羟基自由基和臭氧活性组分协同吸附剂对废水中的有机物进行处理。

所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法，其特征在于：所述废水为含有难降解有机物的染料废水、医药废水或农药废水。

本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法，其中等离子体耦合吸附剂处理废水的装置主要包括反应器壳体、微孔曝气板、介质颗粒、高压极和接地极，吸附剂是负载了活性炭的聚氨酯泡棉板（AC/PUF）。吸附剂预先放置在装有废水的反应器壳体内，在通电的情况下，本发明的装置产生的·OH、臭氧等活性组分会降解废水中的有机物；同时，吸附剂会将废水中的有机物及·OH、臭氧等活性组分降解的产物吸附到孔道内进行进一步降解。

相对于现有的等离子体处理废水方法，本发明的有益效果是：

1）现有技术的大部分等离子体介质阻挡放电反应器，都是在外部产生等离子体，然后再传输到液体中，而等离子体活性组分（如羟基自由基）寿命只有纳秒级，所以基本都是只利用长寿命的臭氧组分对废水中的有机物进行降解，而羟基自由基是最重要的去除有机污染物的活性组分，因此现有技术的大部分等离子体介质阻挡放电反应器存在有机物降解效率低的问题。而本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置中，废水直接与接地极和曝气微孔板接触，等离子体是在反应器壳体的下腔室内部区域产生，下腔室内产生的等离子体流可以在载气气流的带动下直接延伸进入废水内部（下腔室内产生的高能电子在气流带动下传输到微孔曝气板的微孔中，高能电子将微孔曝气板的微孔内的气体击穿产生微放电作用并进一步形成等离子体，使微放电通道贯穿高压极与微孔曝气板表面的气膜），通过原位产生等离子体对废水中的有机物进行降解，大大提高了有机物的降解效率。

2）本发明所选用的吸附剂是负载了活性炭的聚氨酯泡棉，使活性炭固定在聚氨酯泡棉的骨架结构上，解决了活性炭在溶液中分布不均的问题，增大了活性炭与废水中有机物的接触面积，从而增加废水的处理效果。

3）本发明耦合等离子体反应器和吸附剂，既能利用等离子体活性组分的氧化性，又能利用吸附剂的吸附性能，大大提高了废水中有机物的去除效率和去除速率；且本发明耦合等离子体反应器和吸附剂，可实现废水有机物的原位降解，且在等离子体作用下，吸附剂可实现原位再生（即等离子体可进入活性炭的孔道内部，对活性炭吸附的有机物进行降解，实现活性炭的脱附再生），增加了吸附剂的使用寿命。

4）本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，通过填充介质颗粒增强了气固放电电场强度，且放电更加均匀，使产生更多等离子体活性组分，从而增强废水处理效果；

5）本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置结构简单，可操作性好，适用性广，无需添加化学药剂，不产生二次污染，且能耗低，适合于进一步工业化应用。

附图说明

图1为本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置的结构示意图；

图中：1-反应器壳体，2-气体出口，3-接地极，4-液体出口，5-微孔曝气板，6-介质颗粒，7-气体进口，8-高压极，9-液体进口，10-吸附剂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：对照图1

一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，包括反应器壳体1（反应器壳体1的上下端分别设置有可拆卸的盖子），反应器壳体1上自上而下依次设置有气体出口2、接地极3、微孔曝气板5、高压极8和气体进口7，所述接地极3、微孔曝气板5和高压极8均水平安装于反应器壳体1内部。微孔曝气板5将反应器壳体1分隔为上腔室和下腔室，所述反应器壳体1的上腔室内部盛有待处理的废水，废水将接地极3完全浸没，所述吸附剂10悬浮于上腔室内的废水内部。在本发明中，吸附剂10由聚氨酯泡棉板以及负载于聚氨酯泡棉板上的活性炭组成。

为了使本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，能够对废水进行连续化处理，在反应器壳体1侧部还设有液体进口9和液体出口4，所述液体进口9的高度略大于微孔曝气板5的高度，所述液体出口4的高度大于接地极3的高度并小于气体出口2的高度。液体进口9的高度略大于微孔曝气板5的高度，这样通过液体进口9向反应器壳体1的上部反应区内输入新鲜未处理的废水时，新鲜未处理的废水易于分散在微孔曝气板5的上表面附近，反应器壳体1的下腔室释放的等离子体可在载气气流的携带作用下快速地与新鲜未处理的废水进行接触反应，以提高废水处理的效率。

对照图1，反应器壳体1的下腔室内部填充有球形固态结构的介质颗粒6，所述介质颗粒6在下腔室内部堆积形成的床层将高压极8的外表面完全覆盖。

对照图1，高压极8为圆形片板结构，所述高压极8通过第一电极杆安装在反应器壳体1的下端内部；第一电极杆上端与高压极8下表面固定连接，第一电极杆下端从反应器壳体1底部穿出并与高压电源连接，第一电极杆中部与反应器壳体1底部密封固定连接。

接地极3为圆形片板结构，所述接地极3通过第二电极杆安装在反应器壳体1的上端内部；第二电极杆下端与接地极3上表面固定连接，第二电极杆上端从反应器壳体1顶部穿出并与接地线连接，第二电极杆中部与反应器壳体1顶部密封固定连接。为了使本申请的装置能够处理不同体积量的废水，所述接地极3可调节高度地安装在反应器壳体1的上端内部，这样使得处理不同体积量的废水时，废水均可将接地极3进行完全浸没。通过在反应器壳体1顶部设置阴螺纹孔，在第二电极杆的中部外侧设置与所述阴螺纹孔相配的阳螺纹，第二电极杆中部与反应器壳体1顶部螺纹密封连接。

本发明中的反应器壳体1、微孔曝气板5和固体介质颗粒6的材质均为绝缘材料。固体介质颗粒6为球形结构的玻璃珠或氧化铝珠；所述微孔曝气板5为微孔陶瓷板或玻璃砂芯板，所述微孔陶瓷板或玻璃砂芯板的通气孔孔径为15-30微米。

本发明的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，可用于处理含有难降解有机物的染料废水、医药废水或农药废水。

以下实施例1~3采用图1结构的等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置对废水中的有机物进行处理，对废水进行处理的方法可按照以下过程进行：反应器壳体1的上腔室内部预先放置吸附剂10，通过气体进口7向反应器壳体1的下腔室内部输入载气，然后通过液体进口9向反应器壳体1的上腔室内通入废水（在载气气流的阻力作用下，废水不会流进下腔室内）。由于采用间歇式方法对废水进行处理，控制废水液面在液体出口4以下，控制接地极3的安装高度使接地极3浸没在废水内部，高压极8通过第一电极杆接通高压电源，载气气流将通电产生的羟基自由基和臭氧活性组分及时快速地转移至上腔室内的废水内部，羟基自由基和臭氧活性组分对废水中的有机物进行降解，同时废水中的有机物以及降解后的有机物经吸附剂10吸附处理。

以下实施例1~3处理废水过程中，采用的吸附剂10均是购自于苏州炭旋风活性炭厂家的蜂窝状活性炭过滤海绵（其是负载了活性炭的聚氨酯泡棉板，厚度为15mm）。

实施例1：处理亚甲基蓝模拟废水：

在本实施例中，微孔曝气板5采用3#玻璃砂芯片（其通气孔径为15-30微米），固体介质颗粒6为直径4 mm的球形玻璃珠，高压极8的第一圆形电极板以及接地极3的第二圆形电极板均是直径均为3 cm且厚度均为5 mm的不锈钢圆形板。待处理的废水为100 mL配制浓度为100 mg/L亚甲基蓝废水。

采用间歇式处理水样的方式，放电参数：输入电压最大值8 kV，输入电流最大值30mA，输入功率约10 W。操作参数：以空气为载气，气体流量为1.5 L/min，间歇式处理水样10min后对废水进行检测，检测结果为：废水的脱色率达到97.9%（通过紫外分光光度法检测废水中剩余的亚甲基蓝浓度的方式，计算废水的脱色率），能量收率达13.5 g/kWh（能量收率的计算方式为，C₀为亚甲基蓝的初始浓度，V为待处理废水体积，η为亚甲基蓝浓度的去除率，P为功率，t为处理时间），COD去除率达70.6%。

实施例2：处理布洛芬模拟废水

在本实施例中，微孔曝气板5采用3#玻璃砂芯片，固体介质颗粒6为直径4 mm的球形玻璃珠，高压极8的第一圆形电极板以及接地极3的第二圆形电极板均是直径均为3 cm且厚度均为5 mm的不锈钢圆形板。待处理的废水为100 mL配制浓度为50 mg/L布洛芬模拟废水。

采用间歇式处理水样的方式，放电参数：输入电压最大值8 kV，输入电流最大值30mA，输入功率约10 W。操作参数：以空气为载气，气体流量为1.5 L/min，间歇式处理水样10min后对废水进行检测，检测结果为：布洛芬的去除率即达到90.4%，能量收率达11.2 g/kWh，COD去除率达68.3%。

实施例3：处理苯胺模拟废水

在本实施例中，微孔曝气板5采用3#玻璃砂芯片，固体介质颗粒6为直径4 mm的球形玻璃珠，高压极8的第一圆形电极板以及接地极3的第二圆形电极板均是直径均为3 cm且厚度均为5 mm的不锈钢圆形板。待处理的废水为200 mL配制浓度为20 mg/L的苯胺模拟废水。

采用间歇式处理水样的方式，放电参数：输入电压最大值8 kV，输入电流最大值30mA，输入功率约10 W。操作参数：以空气为载气，气体流量为1.5 L/min，间歇式处理水样10min后对废水进行检测，检测结果为：苯胺的去除率即达到92.4%，能量收率达12.2 g/kWh，COD去除率达63.3%。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims

1.一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：包括反应器壳体（1），所述反应器壳体（1）上自上而下依次设置有气体出口（2）、接地极（3）、微孔曝气板（5）、高压极（8）和气体进口（7），所述接地极（3）、微孔曝气板（5）和高压极（8）均水平安装于反应器壳体（1）内部；所述微孔曝气板（5）将反应器壳体（1）内部分隔为上、下两个腔室，上腔室内部放置有吸附剂（10）且上腔室内部盛有待处理的废水，废水将所述接地极（3）完全浸没，且所述吸附剂（10）展开悬浮于废水内部，所述吸附剂（10）由聚氨酯泡棉板以及负载于聚氨酯泡棉板上的活性炭组成。

2.如权利要求1所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：所述下腔室内部填充有球形固态结构的介质颗粒（6），所述介质颗粒（6）在下腔室内部堆积形成的床层将高压极（8）的外表面完全覆盖。

3.如权利要求1所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：高压极（8）为圆形片板结构，所述高压极（8）通过第一电极杆安装在反应器壳体（1）的下端内部；第一电极杆上端与高压极（8）下表面固定连接，第一电极杆下端从反应器壳体（1）底部穿出并与高压电源连接，第一电极杆中部与反应器壳体（1）底部密封固定连接。

4.如权利要求1所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：接地极（3）为圆形片板结构，所述接地极（3）通过第二电极杆安装在反应器壳体（1）的上端内部；第二电极杆下端与接地极（3）上表面固定连接，第二电极杆上端从反应器壳体（1）顶部穿出并与接地线连接，第二电极杆中部与反应器壳体（1）顶部密封固定连接。

5.如权利要求1所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：反应器壳体（1）侧部还设有液体进口（9）和液体出口（4），所述液体进口（9）的高度略大于微孔曝气板（5）的高度，所述液体出口（4）的高度大于接地极（3）的高度并小于气体出口（2）的高度。

6.如权利要求2所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：所述反应器壳体（1）、微孔曝气板（5）和介质颗粒（6）的材质均为绝缘材料。

7.如权利要求2所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的装置，其特征在于：所述介质颗粒（6）为球形结构的玻璃珠或氧化铝珠；所述微孔曝气板（5）为微孔陶瓷板或玻璃砂芯板。

8.一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法，其特征在于：反应器壳体（1）的上腔室内部预先放置吸附剂（10），通过气体进口（7）向反应器壳体（1）的下腔室内部吹入载气，通过液体进口（9）向反应器壳体（1）的上腔室内部输入废水直至废水将接地极（3）完全浸没；高压极（8）通过第一电极杆接通高压电源，通电产生的羟基自由基和臭氧活性组分协同吸附剂（10）对废水中的有机物进行处理。

9.如权利要求8所述的一种等离子体装置耦合吸附剂处理废水的方法，其特征在于：所述废水为含有难降解有机物的染料废水、医药废水或农药废水。