CN111470592A - 一种单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置，该装置包括高压电源、单针板电极等离子体放电腔体、单针板高压电极、接地电极、旋钮、进料口、出料口、排气孔、盖板和底板等。其中，单针板高压电极与接地电极伸入钢化玻璃腔体中，单针板高压电极的长度以及单针板高压电极与接地电极之间的距离可由旋钮调节；所述单针板高压电极与接地电极完全浸没在反应溶液中；在高压电源作用下，单针板高压电极与接地电极之间产生气泡等离子体火焰；在反应过程中气泡上升至液面并破裂；反应溶液由进料口进入，反应产物由出料口排出，钢化玻璃腔体中的气体由排气孔排出。本发明的装置结构简单、易于操作、成本低且安全有效。

Description

一种单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置

技术领域

本发明涉及一种单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置，属于危化品处理及安全工程领域。

背景技术

近年来，危险化学品产量日益增加，由此引发的各类事故常有发生，危险化学品的处理和处置已经成为人们关注的重点。传统的危险化学品处置技术存在效率低、腐蚀重、环境危害大等弊病，已不适用现代生态保护的需要。利用光催化法降解危险化学品效率高、环境危害小，但催化剂失活是该光催化过程中需要克服的一个重要问题。低温等离子体技术是一种高级氧化技术，已经在环境领域、汽车制造领域、制造新材料、新化学物质领域得到运用。人工产生低温等离子体的方法主要是高压放电。放电过程中形成了大量的电子、离子、激发态分子、原子等高能粒子和O₃、^-OH、^-O等氧化性物质，并伴随着高温热解、紫外光降解、冲击波等效应，能有效降解危险化学品。

中国专利CN105163476A公开了一种等离子体放电装置，此装置可应用于大气条件下消除一氧化氮，二氧化三氮，金属汞等有毒成分，增加气体内的含氧自由基含量，其结构简单、操作容易、易维护、适合在燃料高温燃烧领域应用，但只适用于气体而无法应用于液体；中国专利CN203807223U公开了一种等离子体放电装置，此装置可应用于水中消毒杀菌和增加水中含氧自由基的含量，其耗能少、无污染、杀菌效率高、结构简单、操作容易，但此放电主要以电弧放电为主，电流很大、水温很高，放电剧烈影响了其应用前景；中国专利CN206549837U公开了一种等离子体放电装置，涉及工业除尘脱硫及废气处理领域，具体涉及一种等离子体装置及其放电极，以及脱硫除尘除雾一体化装置，该放电极能够减少积聚的水滴带至阳极筒时造成的局部放电，降低对电极结构性能的损害，但此装置设计复杂、难操作、成本高昂；中国专利CN105491782A提供一种适合处理化工有害气体的等离子体装置，化工有害气体受到高温高压的等离子体冲击时，其分子、原子将会重新组合而生成新的物质，从而使有害物质变为无害物质，其装置结构简单合理和效率高，电能消耗低，但无法处理进而达到医疗废物减量化、无害化、资源化处理的目的，全其密闭式进料装置能够防止了医疗废物的病菌、病毒等传染性物质扩散，但此装置只适用于固体废物处理，不能用于液体废物处理。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题，提供一种单针板电极放电等离子体装置，实现危化品的高效降解。该装置的特点是结构简单、易于操作、成本低且安全有效。通过等离子体液相放电，在溶液中产生高能活性物质(高能电子、自由基以及长时效性的强氧化性物质)，实现对危化品的高效降解，使处理后的危险化学品溶液达到相关标准规定。

本发明采用的技术方案：单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置包括气瓶1、气体流量计2、高压电源3、单针板高压电极4、接地电极5、中空介质管6、钢化玻璃腔体7、气泡等离子体火焰8、旋钮a 9、旋钮b 10、盖板11、底板12、进料口13、出料口14、排气孔15、产物检测系统16、处理液回收系统17、单针板电极等离子体放电腔体18；

气瓶1与气体流量计2连接，气体流量计2与中空介质管6连接，高压电源3与中空介质管6连接；

单针板高压电极4穿插于中空介质管6内，单针板高压电极4外壁与中空介质管6内壁不接触，中空介质管6用于输送工作气体，中空介质管6前端有开口；

钢化玻璃腔体7包括进料口13、出料口14、排气孔15。出料口14分别与底板12、产物检测系统16和处理液回收系统17连接；进料口13、排气孔15分别与盖板11连接；

单针板电极等离子体放电腔体18分别与盖板11和底板12连接，盖板11分别与进料口13和排气孔15连接，底板12与出料口14连接；

中空介质管6与接地电极5分别穿插于钢化玻璃腔体7内并密封；中空介质管6、接地电极5与单针板高压电极4浸没在反应溶液中；高压电源3的高压端与接地端分别与单针板电极等离子体放电腔体18的单针板高压电极4和接地电极5连接；

单针板电极等离子体放电腔体18置于钢化玻璃腔体7内。单针板电极等离子体放电腔体18包括单针板高压电极4、接地电极5、中空介质管6，其中单针板高压电极4穿插于中空介质管6并与高压电源3连接，中空介质管6与气体流量计2连接，接地电极5与接地线连接；

旋钮a 9、旋钮b 10分别置于单针板电极等离子体放电腔体18上并与中空介质管6连接；

产物检测系统16包括气相色谱-质谱联用仪GC-MS、核磁共振波谱仪。产物检测系统16、处理液回收系统17分别与单针板电极等离子体放电腔体18连接。

来自气瓶1的工作气体通过气体流量计2调控流量后，输送至中空介质管6内，经放电后产生气泡等离子体火焰8。高压电源3采用脉冲放电电源，放电参数选取要求为放电体系均匀稳定，电压范围为5～15kV，频率6～16kHz，、脉冲宽度50～50μs。单针板高压电极4为实心电极，电极直径为2～10mm，长度为5～10cm。单针板电极等离子体放电腔体18为圆柱形，内径5cm，外径10cm，高度4.5cm；单针板电极等离子体放电腔体18的材质为石英玻璃。进料口13与出料口14直径为2～5cm，排气孔15直径2～5cm。通过调节单针板高压电极4的长度来改变单针板高压电极4与接地电极5之间的间距，由单针板电极等离子体放电腔体18上的旋钮a 9和旋钮b 10调节单针板高压电极4长度。等离子体处理危化品溶液的时间为2～30min。

本发明的单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置操作步骤如下：

步骤1、配置预处理的危险化学品溶液；

步骤2、将待处理的危险化学品溶液通过进料口13注入单针板电极等离子体放电腔体18内，溶液的高度要浸没单针板高压电极4和接地电极5；

步聚3、打开高压电源3，调整放电参数，激励单针板高压电极4产生大气压等离子体，对反应器壳体中危险化学品溶液进行等离子体放电处理2～30min；

步骤4、经过等离子体放电处理的危险化学品溶液输送至产物检测系统16进行产物测量；

步骤5、经等离子体处理后的无害溶液进入处理液回收系统17进行存储。

本发明的有益效果：将针板电极结构的等离子体设置在密闭的玻璃容器内，避免了处理过程中生成的有害物质的扩散，安全性高；针板电极直接浸润在反应溶液中，并在高压电极处输送气体，产生的气泡不仅可以搅拌溶液且可有效降低放电电压；等离子体反应腔体结构简单，操作方便，可实现工业化大批量处理；通过控制气体流量、反应时间、反应物浓度、电极大小、电极间距、电源参数等达到优化降解速率和产物种类的目的。

附图说明

图1单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置结构示意图

图中：1.气瓶；2.气体流量计；3.高压电源；4.单针板高压电极；5.接地电极；6.中空介质管；7.钢化玻璃腔体；8.气泡等离子体火焰；9.旋钮a；10.旋钮b；11.盖板；12.底板；13.进料口；14.出料口；15.排气孔；16.产物检测系统；17.处理液回收系统；18.单针板电极等离子体放电腔体。

图2含硫污染物模拟剂及其降解产物色谱图

图中：峰I为含硫污染物模拟剂CH₂CH₂SCH₂CH₂OCH₃的色谱峰，峰高为13699，峰面积为182000，出峰时间为6.14分钟，峰II为降解产物CH₂CH₂SOCH₂CH₂OCH₃的色谱峰，峰高为5520，峰面积为79000，出峰时间为9.26分钟；纵坐标为强度，横坐标为时间(分钟)；

图3含硫污染物模拟剂质谱图

图中：48、61、75、123为含硫污染物模拟剂质谱特征峰；

纵坐标为强度，横坐标为质荷比m/z；

图4含硫污染物模拟剂的降解产物质谱图

图中：46、62、77、112、141为含硫污染物模拟剂的降解产物质谱特征峰；

纵坐标为强度，横坐标为m/z；

图5含硫污染物模拟剂降解效果一

图中：曲线-为降解效率随时间的变化趋势；

纵坐标为降解效率(％)，横坐标为时间(分钟)；

图6含硫污染物模拟剂降解效果二

图中：曲线-为降解效率随浓度的变化趋势；

纵坐标为降解效率(％)，横坐标为含硫污染物模拟剂的初始浓度(mg/L)；

具体实施方式

下面通过具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明通过高压电源激励钨针电极产生大气压低温等离子体，输入合适的工作气体，使反应溶液中产生气泡，并在反应溶液中进行等离子体放电对反应溶液进行处理。

单针板电极等离子体放电腔体18、中空介质管6、高压电源3、气瓶1、气体流量计2、产物检测系统16、处理液回收系统17，其中高压电源3与中空介质管6连接，气瓶1与气体流量计2连接，气体流量计2与中空介质管6连接，产物检测系统16与单针板电极等离子体放电腔体18连接，处理液回收系统17与单针板电极等离子体放电腔体18连接；

单针板电极等离子体放电腔体18与盖板11和底板12连接，盖板11开有进料口13和排气孔15，底板12开有出料口14；

单针板电极等离子体放电腔体18置于钢化玻璃腔体7内。单针板电极等离子体放电腔体18包括单针板高压电极4、接地电极5、中空介质管6，其中单针板高压电极4穿插于中空介质管6并与高压电源3连接，中空介质管6与气体流量计2连接，接地电极5与接地线连接；

旋钮a 9、旋钮b 10置于单针板电极等离子体放电腔体18上并与中空介质管6连接；

钢化玻璃腔体7包括进料口13、出料口14、排气孔15，其中出料口14与产物检测系统16和处理液回收系统17连接；

单针板高压电极4穿插于中空介质管6内，单针板高压电极4外壁与中空介质管6内壁不接触，中空介质管6用于输送工作气体，中空介质管6前端有开口；

中空介质管6与接地电极5穿插于钢化玻璃腔体7内并密封；

中空介质管6、接地电极5与单针板高压电极4浸没在反应溶液中；

高压电源3的高压端与接地端分别与单针板电极等离子体放电腔体18的单针板高压电极4和接地电极5连接；

工作气体通过气体流量计2调控流量后，输送至中空介质管6内，经放电后产生气泡等离子体火焰8；

实施例1

以等离子体降解含硫污染物模拟剂CH₂CH₂SCH₂CH₂OCH₃为例，本发明通过以下步骤方案来实现：

步骤1、配制含硫污染物模拟剂CH₂CH₂SCH₂CH₂OCH₃溶液，在此示例中，溶液浓度分别为10mg/L、25mg/L、50mg/L；

步骤2、搭建单针板气液水中放电等离子体降解装置平台，搭建完成后检查整个气路的气密性保证无漏气现象，检查整个电路的连接确保各部分安全接地；将气瓶、气体流量计、单针板电极等离子体放电腔体按气路顺序依次连接，连接完毕后检查整个气路的气密性及方向性，确保没有漏气。开通气瓶的通气气路，打开高压电源，设置高压探头、电流线圈及数字示波器实时监控电压电流波形，并检查整个电路是否接触良好，确保各部分安全接地；

步骤3、设置单针板气液水中放电等离子体降解含硫污染物模拟剂的实验参数，包括钢化玻璃腔体的湿度和温度、单针板高压电极与接地电极之间的距离、气体流量、电源的重复频率、电压幅值和脉冲宽度以及放电时间；钢化玻璃腔体保持相对湿度31％，温度27℃，气体流量设置为2.0L/min，电压设置范围10kV，频率范围1500Hz，脉冲宽度范围200ns，上升沿50ns，下降沿50ns，单针板高压电极与接地电极之间的距离设置为1cm。对于分析降解效率随时间的变化趋势，选择含硫污染物模拟剂的浓度为25mg/L，放电时间范围分别为0.5-5min；对于分析降解效率随浓度的变化趋势，选择放电时间为5min，污染物浓度选择10mg/L、25mg/L及50mg/L；

步骤4、打开排气孔，运行高压电源，开始放电，可以看到溶液中有明显的气泡等离子体火焰；

步骤5、反应时间截至时，停止高压电源运行并关闭高压电源，将溶液从出料口排出，取2mL样品装入5mL玻璃瓶内并通过产物检测系统进行分析；

步骤6、实验结束后，关闭气瓶，收拾实验器具。

图1为整体实验装置图。图2为色谱-质谱联用仪检测出含硫污染物模拟剂及其降解产物的色谱-质谱结果，T＝6.14min的色谱峰为含硫污染物模拟剂CH₂CH₂SCH₂CH₂OCH₃，T＝9.26min的色谱峰为含硫污染物模拟剂的降解产物CH₂CH₂SOCH₂CH₂OCH₃。图3、图4分别为模拟剂及其降解产物的质谱图。在不同参数条件下的降解效率结果如图5、图6所示，结果表明在同一浓度下随着处理时间的延长，脉冲等离子体射流对含硫污染物模拟剂的降解效率明显提升；在相同的处理时间下，降解效率随含硫污染物初始浓度的提高而降低。

Claims (2)

1.一种单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置，其特征在于该装置包括气瓶(1)、气体流量计(2)、高压电源(3)、单针板高压电极(4)、接地电极(5)、中空介质管(6)、钢化玻璃腔体(7)、气泡等离子体火焰(8)、旋钮a(9)、旋钮b(10)、盖板(11)、底板(12)、进料口(13)、出料口(14)、排气孔(15)、产物检测系统(16)、处理液回收系统(17)、单针板电极等离子体放电腔体(18)；

气瓶(1)与气体流量计(2)连接，气体流量计(2)与中空介质管(6)连接，高压电源(3)与中空介质管(6)连接；

单针板高压电极(4)穿插于中空介质管(6)内，单针板高压电极(4)外壁与中空介质管(6)内壁不接触，中空介质管(6)用于输送工作气体，中空介质管(6)前端有开口；

钢化玻璃腔体(7)包括进料口(13)、出料口(14)、排气孔(15)；出料口(14)分别与底板(12)、产物检测系统(16)和处理液回收系统(17)连接；进料口(13)、排气孔(15)分别与盖板(11)连接；

单针板电极等离子体放电腔体(18)分别与盖板(11)和底板(12)连接，盖板(11)分别与进料口(13)和排气孔(15)连接，底板(12)与出料口(14)连接；

中空介质管(6)与接地电极(5)分别穿插于钢化玻璃腔体(7)内并密封；中空介质管(6)、接地电极(5)与单针板高压电极(4)浸没在反应溶液中；高压电源(3)的高压端与接地端分别与单针板电极等离子体放电腔体(18)的单针板高压电极(4)和接地电极(5)连接；

单针板电极等离子体放电腔体(18)置于钢化玻璃腔体(7)内；单针板电极等离子体放电腔体(18)包括单针板高压电极(4)、接地电极(5)、中空介质管(6)，其中单针板高压电极(4)穿插于中空介质管(6)并与高压电源(3)连接，中空介质管(6)与气体流量计(2)连接，接地电极(5)与接地线连接；

旋钮a(9)、旋钮b(10)分别置于单针板电极等离子体放电腔体(18)上并与中空介质管(6)连接；

产物检测系统(16)包括质谱-色谱联用仪GC-MS、核磁共振波谱仪；产物检测系统(16)、处理液回收系统(17)分别与单针板电极等离子体放电腔体(18)连接；

来自气瓶(1)的工作气体通过气体流量计(2)调控流量后，输送至中空介质管(6)内，经放电后产生气泡等离子体火焰(8)；高压电源(3)采用脉冲放电电源，放电参数选取要求为放电体系均匀稳定，电压范围为5～15kV，频率6～16kHz，、脉冲宽度50～50μs；单针板高压电极(4)为实心电极，电极直径为2-10mm，长度为5～10cm；单针板电极等离子体放电腔体(18)为圆柱形，内径5cm，外径10cm，高度4.5cm；单针板电极等离子体放电腔体(18)的材质为石英玻璃；进料口(13)与出料口(14)直径为2～5cm，排气孔(15)直径2～5cm；通过调节单针板高压电极(4)的长度来改变单针板高压电极(4)与接地电极(5)之间的间距，由单针板电极等离子体放电腔体(18)上的旋钮a(9)和旋钮b(10)调节单针板高压电极(4)长度；等离子体处理危化品溶液的时间为2～30min。

2.根据权利要求1所述的一种单针板气液水中放电等离子体降解危化品的装置，其特征在于该装置操作步骤如下：

步骤1、配置预处理的危险化学品溶液；

步骤2、将待处理的危险化学品溶液通过进料口(13)注入单针板电极等离子体放电腔体(18)内，溶液的高度要浸没单针板高压电极(4)和接地电极(5)；

步聚3、打开高压电源(3)，调整放电参数，激励单针板高压电极(4)产生大气压等离子体，对反应器壳体中危险化学品溶液进行等离子体放电处理2～30min；

步骤4、经过等离子体放电处理的危险化学品溶液输送至产物检测系统(16)进行产物测量；

步骤5、经等离子体处理后的无害溶液进入处理液回收系统(17)进行存储。

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