CN112723485A - 一种多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，包括绝缘支架和安装于绝缘支架上的主体反应器，主体反应器包括筒体和安装于筒体顶部的盖板；盖板上开设有多组固定孔，绝缘介质管穿过固定孔插接于筒体中；绝缘介质管顶部与进气管相连通，绝缘介质管底部与曝气装置相连通；绝缘介质管设有多个，任意一个绝缘介质管内固定装有高压放电电极，多组高压放电电极与外接电源电性连接；筒体外壁固定装有接地电极并通过接地线接地。本发明结合体放电和沿面放电的优势，将单组电极拓展为多个电极并联的形式，降低高压放电电极的负荷降低，提高活性物质产量及能量利用效率，提高水体有机污染物处理效率，改善水体净化效果。

Description

一种多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置

技术领域

本发明涉及环境污染治理技术领域，具体涉及一种多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置。

背景技术

科学技术的发展带给人们愈加方便的生活，随之而来的是污染程度的不断加深。根据环境部的环境状况公告，我国污水污染源多，且强度很大。更重要的是，污水具有很强的流动性，会随着流动增大污染面积。大量的城市污水以及工业废水未经过处理便排放进江河中，给水环境带来巨大的威胁。传统的污水处理方法在降解有机废水方面具有一定局限性：物理法不能改变污染物的结构，无法将其完全去除；化学法的处理成本高，且降解过程中易产生二次污染；生物法占地面积大，水质变化对其中微生物的影响很大。因此，需要寻找清洁高效的处理技术降解有机废水。

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge)是一种在交流电场下产生的放电形式，属于非平衡放电，它是气体放电中很常见的放电形式。所谓介质阻挡是有绝缘介质插入放电空间中，以阻挡贯穿气隙的放电通道，限制放电过程放电电流的无限增大。整个介质阻挡放电装置主要由高压电极、接地电极和绝缘介质三部分组成。当在放电电极和接地电极自检施加足够高的电压，即可在放电空间形成离子、自由基(·OH，·H，·O)和中性分子(H₂、O₂、O_3、H₂O₂)等高氧化性活性物质，这些活性物质可以快速降解多种难生物降解有机污染物，例如有机染料、药物、酚类和芳香胺等，直至将其矿化为CO₂和H₂O₂等。介质阻挡放电等离子体技术是一种能同时发生自由基氧化、臭氧氧化和紫外光光解的技术，多种氧化过程的联合作用可以实现难降解有机废水的高效处理。

根据放电装置结构的不同，介质阻挡放电可以分为体介质阻挡放电和表面介质阻挡放电，其中表面介质阻挡放电又包括沿面介质阻挡放电和共面介质阻挡放电。体介质阻挡放电通常发生在平行板电极或同轴圆筒电极之间的空气间隙中；沿面介质阻挡放电的线状或者梳状电极在绝缘介质板表面的两侧(或一面为线状或者梳状电极，另一面为平板电极)，放电发生在线状或梳状电极附近紧贴介质表面的空间。体介质阻挡放电的放电区域在高低压电极之间，起始放电电压较高；沿面介质阻挡放电的起始放电电压低，但放电面积狭窄，用于废水处理的沿面介质阻挡放电状态通常不太稳定。此外，介质阻挡放电反应器的高压电极一般只设置一个高压放电电极，因此放电装置负荷过重，往往能量利用效率不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置及其处理方法，结合体放电和沿面放电的优势，优化电极结构，提高活性物质产量及能量利用效率，从而促进介质阻挡放电等离子体技术用于水体有机污染物处理效率的提高，提升水体净化效果。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，包括绝缘支架和安装于绝缘支架上的主体反应器，所述主体反应器包括筒体和安装于筒体顶部的盖板；所述盖板上开设有多组固定孔，绝缘介质管穿过所述固定孔插接于筒体中；所述绝缘介质管顶部与进气管相连通，绝缘介质管底部与曝气装置相连通；所述绝缘介质管设有多个，任意一个所述绝缘介质管内固定装有高压放电电极，多组所述高压放电电极与外接电源电性连接构成体介质阻挡放电体系；所述筒体外壁固定装有接地电极并通过接地线接地构成沿面介质阻挡放电体系。

进一步，所述固定孔开设的数量与绝缘介质管的数量相匹配；所述绝缘介质管至少设有两个。

进一步，多组所述高压放电电极采用并联的形式。

进一步，所述绝缘介质管顶部装有密封盖，进气管通过开设于密封盖上的进气孔与绝缘介质管相连通。

进一步，多个所述绝缘介质管通过导气管与曝气装置连通；所述曝气装置为曝气头。

进一步，所述盖板还开设有出气口；所述外接电源采用CTP-2000K高频交流电源。

进一步，所述绝缘介质管和筒体的材质为氧化铝、氧化硅、云母、普通玻璃、石英玻璃、氧化钛中的一种或多种；所述高压放电电极和接地电极的材质为金、银、铂、铁、铝、不锈钢中一种或多种。

本发明的有益效果在于：

1.本发明针对现有技术中体介质起始放电电压较高，沿面介质起始放电电压低，但放电面积狭窄、放电状态不稳定的情况，将沿面介质放电和体介质放电两种介质阻挡放电的优势相结合，降低了起始放电电压，提高了放电稳定性，优化电极结构，提高活性物质产量及能量利用效率，从而促进介质阻挡放电等离子体技术用于水体有机污染物处理效率的提高，提升水体净化效果。

2.本发明针对单电极介质阻挡放电能量利用效率低的问题，将单组电极拓展为多个电极并联的形式，使得反应体系中高压放电电极的负荷降低，整体的能量利用效率提高，活性物质的产量增加，污染物的降解效率提高，最后实现大气压放电等离子体放电的高效应用。

3.本发明中处理目标溶液体积可控，整个操作过程简明容易，灵活方便，避免了能量的浪费，提高了整个系统的能量利用效率。

附图说明

图1为多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置的整体结构示意图。

图2为多组高压放电电极分布示意图。

图3为不同数量高压放电电极的并联介质阻挡放电等离子体水处理装置用于有机废水降解的柱状图。

图中：

1-主体反应器；2-筒体；3-绝缘介质管；4-固定孔；5-高压放电电极；6-曝气装置；7-进气管；8-接地电极；9盖板；10-密封盖；11-出气口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，包括绝缘支架和安装于绝缘支架上的主体反应器1，所述主体反应器1包括筒体2和安装于筒体2顶部的盖板9，盖板9用于封闭筒体2；所述盖板9上开设有多组固定孔4，绝缘介质管3穿过所述固定孔4插接于筒体2中，所述绝缘介质管3至少设有两个，每个绝缘介质管3内固定装有高压放电电极，筒体2和绝缘介质管3的材质为氧化铝、氧化硅、云母、普通玻璃、石英玻璃、氧化钛中的一种或多种，具体的，绝缘介质管3为石英玻璃管，其中绝缘介质管3的内径为11mm，壁厚2mm，高155mm，其内部为放电空间，筒体2采用石英玻璃制成，高压放电电极5采用螺旋管形状金属丝、金属网或金属带的结构，位于整个装置的中心处，依附在绝缘介质管3内壁上，与绝缘介质管3内壁紧密接触，具体的，高压放电电极5采用与绝缘介质管3内壁尺寸配套的不锈钢弹簧，不锈钢弹簧的线径为1mm。如图2所示，多组所述高压放电电极5采用并联的形式，且通过电源连接线与外接电源电性连接，高压放电电极5的数量可根据实际需求而设定。外接电源采用CTP-2000K高频交流电源。所述盖板9上还开设有出气口11。

绝缘介质管3顶部与进气管7相连通，绝缘介质管3与进气管7接合处装有密封盖10，具体的，密封盖10上开设有进气孔，进气管7通过进气孔与绝缘介质管3相连通，本实施例中所使用的密封盖10为硅胶塞，进气管7为针头。绝缘介质管3底部与曝气装置6相连通，外界空气通过进气管7穿过密封盖10后进入绝缘介质管3中，经通电的高压放电电极5电离后，放电产生的活性物质经曝气装置6通入装于筒体2内的目标溶液中，构成体介质阻挡放电体系，用于快速降解目标溶液中难生物降解的有机污染物。所述曝气装置6为曝气头。

筒体2内径110～120mm，壁厚2～5mm，高180～220mm；筒体2外壁固定装有接地电极8，接地电极8通过接地线接地构成沿面介质阻挡放电体系，接地电极8的材质为金、银、铂、铁、铝、不锈钢中一种或多种，具体的，本实施例中接地电极8为铝箔，铝箔接地电极8缠绕在筒体2的外壁，构成沿面介质阻挡放电体系。

绝缘介质管3作为第一介质层，筒体2的筒壁作为第二介质层，利用沿面介质阻挡放电起始放电电压低、体介质阻挡放电区域广和放电状态稳定的优点，将两种放电形式相联合，建立体、面相联合的介质阻挡放电体系，降低起始放电电压，提高放电稳定性，达到了能量优化的效果。

同时在单电极体、沿面介质阻挡放电体系的基础上，鉴于其能量利用效率低的问题，根据实际需求可增加高压放电电极5数量，形成本实施例中所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置。随着并联的高压放电电极5数量增加，反应体系中高压放电电极的负荷降低，整体的能量利用效率提高，活性物质的产量增加，污染物的降解效率提高，最后实现大气压放电等离子体放电的高效应用。本方案中对反应器装置中的高压电极数量不作限制，相关技术人员可根据对废水处理程度的实际要求、处理装置的大小适当增加或者减少装置中的高压电极5的数量。

本发明所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置的处理方法，包括如下步骤：

A、打开气泵，调节空气流量，外界空气通过进气管穿过硅胶塞进入绝缘介质管内部，并从底部相连的曝气石进入筒体内部；

B、打开盖板，向筒体中加入待处理的目标溶液，待处理目标溶液体积可控，然后关上盖板；

C、接通外接电源，连接高压电极与电源连接线，闭合电路系统，施加可以保证不同电极数目装置稳定放电的电压、电流，控制放电时间；

D、断开外接电源，取出目标溶液，测定相关参数。

其中，所述步骤A中气泵的通气量为0～1.5L/min，所述步骤C中外接电源的输出电压控制在0～20kV，输出电流控制在0～2A，放电时间控制在0～60min。

本发明针对现有的介质阻挡放电体系，将体介质阻挡放电与沿面介质阻挡放电的优势相结合，并将单独电极拓展为多个电极并联的形式，单电极体、沿面介质阻挡放电体系中高压放电电极5采用一组，多电极电极体、沿面介质阻挡放电体系采用2～5组，如图3所示，为保证1至5组高压放电电极下放电状态的稳定，控制功率电源输出电压40V，电流1.3A，放电时间为60min，比较该放电条件下目标溶液的降解效果，当高压放电电极采用5组时，该废水的降解率为96％，而当高压放电电极采用1组时，该废水的降解率降为73％，多电极并联装置中有机物的降解效率均高于单电极装置中有机物的降解效率。

本发明将体放电与沿面放电相联合，降低了起始放电电压，提高了放电稳定性，达到了能量优化的效果。同时，本发明对反应器装置中的高压电极数量不作限制，相关人员可根据对废水处理程度的实际要求、处理装置的大小适当增加或者减少装置中的高压电极数量。整个操作过程简明容易，灵活方便，放电结构简单，放电状态稳定，可以实现对水体污染物降解效果的灵活控制，避免了能量的浪费，提高了整个系统的能量利用效率。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，包括绝缘支架和安装于绝缘支架上的主体反应器(1)，所述主体反应器(1)包括筒体(2)和安装于筒体(2)顶部的盖板(9)；所述盖板(9)上开设有多组固定孔(4)，绝缘介质管(3)穿过所述固定孔(4)插接于筒体(2)中；所述绝缘介质管(3)顶部与进气管(7)相连通，绝缘介质管(3)底部与曝气装置(6)相连通；

所述绝缘介质管(3)设有多个；任意一个所述绝缘介质管(3)内固定装有高压放电电极(5)，多组所述高压放电电极(5)与外接电源电性连接构成体介质阻挡放电体系；所述筒体(2)外壁固定装有接地电极(8)并通过接地线接地构成沿面介质阻挡放电体系。

2.根据权利要求1所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述固定孔(4)开设的数量与绝缘介质管(3)的数量相匹配；所述绝缘介质管(3)至少设有两个。

3.根据权利要求1所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，其特征在于，多组所述高压放电电极(5)采用并联的形式。

4.根据权利要求1所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述绝缘介质管(3)顶部装有密封盖(10)，进气管(7)通过开设于密封盖(10)上的进气孔与绝缘介质管(3)相连通。

5.根据权利要求1所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，其特征在于，多个所述绝缘介质管(3)通过导气管与曝气装置(6)相连通；所述曝气装置(6)为曝气头。

6.根据权利要求1所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述盖板(9)还开设有出气口(11)；所述外接电源采用CTP-2000K高频交流电源。

7.根据权利要求1所述的多电极并联介质阻挡放电等离子体水处理装置，其特征在于，所述筒体(2)和绝缘介质管(3)的材质为氧化铝、氧化硅、云母、普通玻璃、石英玻璃、氧化钛中的一种或多种；所述高压放电电极(5)和接地电极(8)的材质为金、银、铂、铁、铝、不锈钢中的一种或多种。

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