CN114656077A - 等离子氧化水处理装置及其水处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种等离子氧化水处理装置及方法，装置包括：主体部分，具有用于在高压下产生等离子体活性物质的电极棒和上部开口并用于盛装液体的容器；控制部分，其电源电压输出端电连接电极棒以便为电极棒提供高压交流电；液体循环部分，其两端与容器的回水口和出水口分别相连通，用于将容器的从出水口流出的液体经由回水口回输到容器内；气体循环部分，与主体部分连接，用于为电极棒放电提供气体并将电极棒放电产生的等离子体活性物质与液体反应生成的气体产物回输到主体部分内。本发明的装置，不仅能够去除水中有机物质、降低废水色度等的水处理设备，使得废水达到排放标准，而且不需要添加其他的化学物质，去除效率高，不会对环境造成二次污染。

Description

等离子氧化水处理装置及其水处理的方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种等离子氧化水处理装置及利用其进行水处理的方法。

背景技术

近年来，水污染问题严重危害着人类的健康状况和整个生态系统。据统计，全世界百分之八十以上的疾病以及1/2以上死亡者的死因都与水质的污染有着重大的关系。有机化合物作为废水中的主要污染物，由于其对环境和人类健康造成的严重问题，在世界范围内引起了人们的关注。因此，在不可避免污染的情况下，必须对这些有机化合物进行处理，以满足严格的水质法规，然后排放到水生生态系统。

现有技术中的水处理方法有物化和生物法两大类，其中诸如萃取法、吸附法和沉淀法等物化处理方法费时费力，效率较低。生物法诸如好氧生物技术、厌氧生物技术、好氧-厌氧联合处理技术等虽然操作简便、运行成本低、方便维护，但此方法对于废水中的温度、pH值和所含物质成分、浓度等要求较高。

针对含有多种污染物质的高浓度有机废水，生化处理后的成分复杂，有些还存在色度较高等问题，无法满足废水的排放要求，需要进一步深度处理。

现有技术中，深度处理的技术有：1)混凝沉淀法、2)活性炭吸附、3)芬顿氧化(Fenton)、4)气体产物氧化、5)湿式催化氧化、6)光化学氧化技术等。其中，首推以芬顿氧化、气体产物氧化、湿式催化氧化以及光化学氧化技术为代表的高级氧化技术。芬顿试剂在水处理中具有氧化和混凝两种作用，虽然能够氧化各种有毒和难降解的有机化合物，但是H₂O₂的利用率不高，不能充分矿化有机物，并且Fenton反应中加入大量的铁盐会造成污泥问题。气体产物氧化法不仅可以有效地氧化分解污染物质，还具有消毒、脱色、除臭等作用，不过气体产物氧化工艺设备运行费用相对较高。湿式催化氧化法由于反应条件苛刻、催化剂成本高、投资成本高，因此，目前在工艺上没有得到广泛地应用。光化学氧化法对于化学需氧量COD(ChemicalOxygenDemand)和总有机碳TOC(Total Organic Carbon)有较好的去除效率，然而非均相光催化需要面临催化剂的难分离问题，还需要考虑催化剂的添加等问题。目前，上述的这些深度处理技术虽然对于污染物的去除有一定的处理效果，但是仍存在需要另外添加化学物质、成本高、效率较低等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种等离子氧化水处理装置及其水处理方法，不仅能够去除水中有机物质、降低废水色度等的水处理设备，使得废水达到排放标准，而且不需要添加其他的化学物质，去除效率高，不会对环境造成二次污染。

为了实现本发明的上述目的，本发明一方面提供一种等离子氧化水处理装置，其包括：主体部分，具有用于在高压下产生等离子体活性物质的电极棒和上部开口并用于盛装液体的容器；控制部分，其电源电压输出端电连接电极棒以便为电极棒提供高压交流电；液体循环部分，其两端与容器的回水口和出水口分别相连通，用于将容器的从出水口流出的液体经由回水口回输到容器内；气体循环部分，与主体部分连接，用于为电极棒放电提供气体并将电极棒放电产生的等离子体活性物质与液体反应生成的气体产物回输到主体部分内。

进一步的，所述主体部分还包括：套装于电极棒外的用于作为放电介质的介质管；套装在介质管外的用于使电极棒放电产生的等离子体活性物质鼓泡进入液体内的鼓泡组件。

优选的，所述鼓泡组件包括：其两端开口且套装在介质管外的鼓泡管，与气体循环部分相连通；与鼓泡管底端连接为一体并将底端开口封住的石英砂板，电极棒放电产生的等离子体活性物质经由石英砂板鼓泡进入液体内。

进一步的，所述主体部分还包括：用于支撑容器底部的底座；用于与容器顶部可拆卸连接的上盖；其中，所述电极棒的顶端伸出于上盖后与电源电压输出端电连接。

其中，所述气体循环部分包括：具有用于输送气体的气体输送管道的气体输送组件；与设置在容器上的出气口相连通的用于输送气体产物的回输管道；其中，气体输送管道的出气端和回输管道的出气端分别与主体部分的进气口相连通；或者，回输管道的出气端与气体输送管道相连通，气体输送管道的出气端与主体部分的进气口相连通。

进一步的，所述气体循环部分还包括：设置在气体输送管道上的用于检测气体输出流量的气体流量计；设置在气体输送管道上的用于调节气体输送流量的流量泵。

其中，所述液体循环部分包括：其一端与容器的出水口相连通、另一端与容器的回水口相连通的回水管道；设置在回水管道上的用于将出水口流出的液体泵向回水口以便等离子体活性物质与容器内液体充分反应的蠕动泵。

优选的，所述介质管顶端与所述上盖底部连接，所述鼓泡管顶端与所述上盖底部连接。

优选的，所述上盖中心设有用于供所述电极棒穿过的中心孔，且上盖顶端安装有进气口与所述鼓泡管相连通的进气帽。

其中，所述电极棒为钛棒或钨棒或铜棒或钢棒。

此外，本发明还提供一种利用如上所述等离子氧化水处理装置进行水处理的方法，包括：

将主体部分的电极棒安置在上部开口且盛装有液体的容器内；

通过液体循环部分将容器的回水口和出水口相连通；

将气体循环部分与主体部分连接，并将控制部分的电源电压输出端电连接电极棒；

通过控制部分为电极棒提供高压交流电，并通过气体循环部分为电极棒放电提供气体；

电极棒在高压交流电和气体的作用下放电产生等离子体活性物质，等离子体活性物质在气体的吹送下鼓泡进入容器内并与液体发生反应以对液体进行处理，生成气体产物与被处理液体；

生成的气体产物经由气体循环部分回输到主体部分内，以与高压交流电共同作用使电极棒放电产生等离子体活性物质并将等离子体活性物质吹送到容器内；

容器内液体从容器的出水口流出后在液体循环部分的作用下经由容器的回水口回输到容器内，以便再次与等离子体活性物质反应。

其中，气体循环部分为电极棒放电提供气体时，通过流量计控制气体的流速。

其中，通过控制部分为电极棒提供高压交流电时，控制部分改变高压交流电的电压、电流以及频率参数，以便电极棒放电产生等离子体活性物质。

其中，亚克力管中装有废水，随着气体的吹入，会使放电产生的等离子体活性物质以鼓泡的形式冒出与废水发生反应。

其中，在处理的过程中，可以在容器的出水口取样供后续试验分析，同时将经出水口流出的液体循环回输到容器中。

与现有技术相比，本发明等离子氧化水处理装置及其水处理方法的有益效果体现在以下方面：

1)本发明采用等离子体活性物质技术净化废水，避免了现有技术中的产生二次污染的问题，也避免了重新添加其他的化学物质造成的成本高的问题。

2)本发明通过高压交流电源单元对放电电压、放电频率以及放电电流进行调节，控制产生等离子体活性物质的效率；气体产物回用和废水循环结合促进了等离子体活性物质与水中有机物质的进一步作用；装置中底部为石英砂板的玻璃管的使用也显著提高了本发明的水处理的净化效果。

以下结合附图对本发明的结构进行说明。

附图说明

图1是本发明等离子氧化水处理装置的结构示意图；

图2中(a)是根据本发明的方法对SDBS在不同pH下去除率变化的示意图；

图2中(b)是根据本发明的方法对SDBS在不同电压下去除率变化的示意图；

图2中(c)是根据本发明的方法对SDBS在不同电压下TOC降解的示意图；

图2中(d)是根据本发明的方法对SDBS在不同电压下能量效率的示意图；

图3中(a)是根据本发明的方法对甲基橙模拟废水在不同放电频率下处理的CODcr变化示意图；

图3中(b)是根据本发明的方法对甲基橙模拟废水在不同放电频率下去除率的变化示意图；

图3中(c)是根据本发明的方法对甲基橙模拟废水在不同放电频率下处理的色度的变化示意图；

图3中(d)是根据本发明的方法对甲基橙模拟废水在不同放电频率下处理的能量效率的变化示意图；

图4中(a)-(c)是根据本发明方法分别使用钛棒、钢棒、钨棒、铜棒作为高压电极进行水处理时去除率变化的示意图；

图5是本发明等离子氧化水处理装置的主体部分、液体循环部分的结构示意图；

图6是本发明等离子氧化水处理装置的控制部分的结构示意图；

图7是本发明等离子氧化水处理装置的气体循环部分的结构示意图。

附图标记说明：

1-主体部分； 2-控制部分；

3-气体循环部分； 4-液体循环部分；

5-电极棒； 6-石英玻璃管；

7-玻璃曝气管； 8-石英砂板；

9-亚克力管； 10-进气口；

11-回水口； 12-出气口；

13-出水口； 14-调压器；

15-低温等离子体电源主机； 16-气体流量计；

17-流量泵； 18-气体瓶；

19-高压电源输入端； 20-接地电极端；

21-蠕动泵； 22-底座；

23-气管； 24-高压电源线；

25-高压电极保护头； 26-接地电极；

27-排气口； 28-电压输出端口；

29-电阻性电流输出端口； 30-示波器；

31-电流检测端口； 32-电压检测端口；

33-电线

具体实施方式

如图1所示，为本发明提供的等离子氧化水处理装置的结构示意图，由图1可知，本发明等离子氧化水处理装置包括：主体部分，具有用于在高压下产生等离子体活性物质的电极棒和上部开口并用于盛装液体的容器；控制部分，其电源电压输出端电连接电极棒以便为电极棒提供高压交流电；液体循环部分，其两端与容器的回水口和出水口分别相连通，用于将容器的从出水口流出的液体经由回水口回输到容器内；气体循环部分，与主体部分连接，用于为电极棒放电提供气体并将电极棒放电产生的等离子体活性物质与液体反应生成的气体产物回输到主体部分内。

进一步的，主体部分还包括：套装于电极棒外的用于作为放电介质的介质管；套装在介质管外的用于使电极棒放电产生的等离子体活性物质鼓泡进入液体内的鼓泡组件。鼓泡组件包括：其两端开口且套装在介质管外的鼓泡管，与气体循环部分相连通；与鼓泡管底端连接为一体并将底端开口封住的石英砂板，电极棒放电产生的等离子体活性物质经由石英砂板鼓泡进入液体内。

此外，主体部分还包括：用于支撑容器底部的底座；用于与容器顶部可拆卸连接的上盖。其中，电极棒的顶端伸出于上盖后与电源电压输出端电连接，介质管顶端与上盖底部连接，鼓泡管顶端与上盖底部连接。上盖中心设有用于供电极棒穿过的中心孔，且上盖顶端安装有进气帽，进气帽上设置进气口，进气口与鼓泡管相连通，相应的，在上盖上设置有与鼓泡管内部相连通的通气孔，通过通气孔使经由进气帽进气口进入的气体进入到鼓泡管内部，以与高压交流电共同作用使电极棒放电产生等离子体活性物质并将等离子体活性物质吹送到容器内，而电极棒可以为钛棒，或者为钨棒，或者为铜棒，还可以为钢棒。

其中，气体循环部分包括：具有用于输送气体的气体输送管道的气体输送组件；与设置在容器上的出气口相连通的用于输送气体产物的回输管道。其中，气体输送管道的出气端和回输管道的出气端分别与主体部分的进气口(即进气帽上的进气口)相连通；或者，回输管道的出气端与气体输送管道相连通，气体输送管道的出气端与主体部分的进气口相连通。此外，气体循环部分还包括：设置在气体输送管道上的用于检测气体输出流量的气体流量计；设置在气体输送管道上的用于调节气体输送流量的流量泵。

其中，液体循环部分包括：其一端与容器的出水口相连通、另一端与容器的回水口相连通的回水管道；设置在回水管道上的用于将出水口流出的液体泵向回水口以便等离子体活性物质与容器内液体充分反应的蠕动泵。

下面，以电极棒采用钛棒、介质管采用石英玻璃管、鼓泡管采用玻璃制成的玻璃曝气管、容器为亚克力制成的亚克力管、亚克力管内的液体为废水、气体输送管道输送的气体为氧气为例，对本发明等离子氧化水处理装置的一种结构进行详细描述。

本发明等离子氧化水处理装置包括主体部分1、高压交流电源控制部分2、用于输送氧气与将反应生成的臭氧回输的气体循环部分3、用于回输液体的液体循环部分4。

具体的，主体部分1可采用如图1、图5所示的结构，包括上端开口的用于盛装废水的亚克力管9及全部或部分安置在亚克力管9内的如下元件：一部分安置在亚克力管9内且作为放电高压电极的钛棒5；套装于钛棒5外的用于作为放电介质的石英玻璃管6；套装在石英玻璃管6外的用于使电极棒放电产生的等离子体活性物质鼓泡进入亚克力管9盛装的废水内的鼓泡组件，该鼓泡组件包括：其两端开口的套装在石英玻璃管6外且用来鼓泡的玻璃曝气管7、与玻璃曝气管7底端连接为一体并将底端开口封住的用于使玻璃曝气管7内的等离子体活性物质产生气泡逸出到玻璃曝气管7外并位于亚克力管9内的石英砂板8，石英砂板8通过烧结的方式黏在玻璃曝气管7底端开口处从而将开口封住，钛棒5放电产生的等离子体活性物质可经由石英砂板8鼓泡进入亚克力管9的废水内。此外，在亚克力管9底部安置用于支撑其底部的底座22，亚克力管9底部可与底座22固定连接或可拆卸连接，在亚克力管9顶部安装与其可拆卸连接的上盖34，上盖34可与亚克力管9螺纹连接，也可以通过其它方式如插接的方式连接。

设计时，上盖34上开设有位于中心的用于供钛棒5穿过的中心孔和位于中心孔一侧的通气孔，在上盖34顶端(即上表面)安装有进气帽，该进气帽可以套装在钛棒5的伸出于上盖34外的上部分外，且在进气帽一侧设置进气口10，该进气口10与上盖34上的通气孔、玻璃曝气管7内腔相连通以形成氧气输送通道，使得经由进气帽进气口10输送的氧气可穿过通气孔进入到玻璃曝气管7内部。石英玻璃管6、玻璃曝气管7的顶端管口分别与上盖34底部内壁相连接，如，可通过玻璃胶将石英玻璃管6、玻璃曝气管7的顶端管口分别黏在上盖34的底部内壁上。

钛棒5的伸出于上盖34外的部分与高压交流电源控制部分2的电源电压输出端19电连接，使得钛棒可与作为绝缘介质的石英玻璃管6、用于将石英玻璃管6接地的接地电极20之间形成介质阻挡放电DBD结构。

具体的，如图1、图6所示，控制部分2包括用来调节以及读取电源参数的低温等离子体电源主机15、与低温等离子体电源主机15连接的调压器14和示波器30。

其中，低温等离子体电源主机15通过高压电源线24引出电源电压输出端19，该电源电压输出端19用于连接钛棒5以作为钛棒5的能量输入口，相应的，在电源电压输出端19与钛棒5连接处设置有用于对通有高压电的电极棒(如钛棒)进行保护的高压电极保护头25，其可采用现有技术电极保护头。

此外，低温等离子体电源主机15上还设有用于连接示波器的电压输出端口28和电阻性电流输出端口29。相应的，示波器30上设有电流检测端口31和电压检测端口32，电流检测端口31与低温等离子体电源主机15的电阻性电流输出端口29通过电线33连接，电压检测端口32与低温等离子体电源主机15的电压输出端口28连接。而调压器14与低温等离子体电源主机15连接，用来调节低温等离子体电源主机15的电压。

在高压交流电源控制部分1通过电源输入端19为钛棒5提供高压交流电的同时，还需通过气体循环部分3为主体部分1的玻璃曝气管7提供氧气，以便进入到玻璃曝气管7内部的一部分氧气与通向钛棒5的高压交流电一起作用，使钛棒5放电产生等离子体活性物质，另一部分氧气将放电产生的等离子体活性物质吹送到亚克力管9的废水内，使等离子体活性物质与废水发生反应以对废水进行净化处理，而等离子体活性物质与废水发生反应后所生成的臭氧经气体循环部分3回输到玻璃曝气管7内以进行循环利用。

其中，气体循环部分3可采用如图1、图7所示的结构，包括具有用于输送氧气的气体输送管道的气体输送组件、与设置在容器上的出气口相连通的用于将钛棒高压放电后产生的等离子体活性物质与废水反应生成的臭氧回输到容器内的回输管道。

设计时，气体输送管道的出气端和回输管道的出气端可分别与主体部分1的进气口10(即进气帽上的进气口)相连通(图中未示出，相应的，在进气帽上可设置一个或两个进气口)。或者，回输管道的出气端与气体输送管道中部相连通(如图1所示，相应的，连通处通过三通接头连接)，然后气体输送管道的出气端与进气帽上的进气口10相连通。优选的，可采用回输管道的出气端与气体输送管道中部相连通的结构。

此外，气体循环部分还包括连通气体输送管道的用于储存氧气的气体瓶18、设置在气体输送管道上的用于检测氧气输出流量的氧气流量计16和设置在气体输送管道上的用于调节氧气输送流量的流量泵17。当回输管道的出气端与气体输送管道中部相连通时，流量泵17应设置在两条管道连通后的气体输送管道的一部分上，这样，当等离子体活性物质与废水反应生成臭氧后，臭氧漂浮在亚克力管9的液体上方并经亚克力管9上部分设置的氧气出口12进入回输管道，回输管道输送的臭氧与气体瓶18提供的氧气18通过气体输送管道上流量计16的控制与混合后，作为可参加反应的气体，通过气体输送管道上流量泵17的抽动后经过进气口10再次进入玻璃曝气管7内，参与钛棒的放电与吹送过程，从而实现对臭氧的再次循环利用。

而在钛棒5高压放电产生的等离子体活性物质被气体循环部分吹送到亚克力管9内以与废水发生反应时，本发明还采用液体循环部分对亚克力管9内废水进行循环利用，所述循环利用的废水包含已与等离子体活性物质发生反应的废水(即已处理液体)和未与等离子体活性物质发生反应的废水(即未处理液体)，以便钛棒持续放电所产生的等离子体活性物质可与亚克力管9内所有废水充分反应，将所有废水净化处理。

其中，本发明液体循环部分可以采用如1、图5所示结构，包括：其一端与亚克力管9的出水口13相连通、另一端与亚克力管9的回水口11相连通的回水管道；设置在回水管道上的蠕动泵21，用于抽取经由出水口13流出的废水使废水流向回水口11，并经由回水口11进入到亚克力管9内进行循环，从而使得亚克力管9内钛棒5放电产生的等离子体活性物质与亚克力管9内的所有废水充分反应。

设计时，可将进气口开设在进气帽一侧(如图1的左侧)，并与气体输送管道的出气端连接，氧气出口12设置在亚克力管9的上部，并在与氧气出口12相连通的回输管道上设置可将臭氧排向外界的大气排气口27，而流量泵17设置在气体输送管道的靠近出气端附近。亚克力管9的一侧(如左侧)下部设置出水口13(也可经由该口取样，故，出水口与回水管道可拆卸连接)、另一侧(如图1右侧)上部设置回水口11，通过回水管道将出水口13与回水口11连通，并在回水管道上设置蠕动泵21。

本发明的等离子氧化水处理装置，气体瓶18储存的氧气通过气体输送管道和进气帽的进气口10进入玻璃曝气管7内，高压交流电源控制部分通过电源电源输入端19为钛棒5提供高压交流电。在高压交流电和氧气输入的情况下，钛棒5发生气体放电，放电产生的一系列等离子体活性物质经过石英砂板8被氧气以鼓泡的形式吹进废水中，等离子体活性物质与废水接触发生反应。为了充分利用反应产生的臭氧，臭氧经氧气出口12再次循环利用，氧气18通过流量计16的控制与生成的臭氧结合再次作为反应的气体通过流量泵17的抽动经过进气口10再次进入玻璃曝气管7内。而容器内的水(包括未与等离子体活性物质发生反应的废水、与等离子体活性物质发生反应后的经过处理的水)从出水口13(也可称为取样口)通过蠕动泵21的抽动再次回流到亚克力管9中进行反应，避免出现有部分废水未能与等离子体活性物质发生充分反应的情况。

其中，制造时，高压电极钛棒外径可为2-5mm,优选为3mm；作为介质管的石英玻璃管外径可为6-8mm,优选为7mm，作为曝气管的石英玻璃管(即玻璃曝气管)外径可为18-22mm,优选为20mm；亚克力管为壁厚为2mm的圆筒体。在装置工作时，控制气体流速为2.22L/min，有利于气泡更好地形成；控制使气体产物循环的流量泵转速为50转/min，有利于装置进气的稳定；控制使废水循环的蠕动泵21的转速为30转/min，以有利于废水与等离子体活性物质更充分的接触反应；控制电源电压为22.4kV、频率为8.5KHZ时，装置处理效率更高。

需要说明的是，上述各参数也适用于采用除了钛棒外的其它材料制成的高压电极棒的装置。

此外，本发明还提供一种利用如上等离子氧化水处理装置进行水处理的方法，包括：

将主体部分的电极棒安置在上部开口且盛装有液体的容器内；

通过液体循环部分将容器的回水口和出水口相连通；

将气体循环部分与主体部分连接，并将控制部分的电源电压输出端电连接电极棒；

通过控制部分为电极棒提供高压交流电，并通过气体循环部分为电极棒放电提供气体；

电极棒在高压交流电和气体的作用下放电产生等离子体活性物质，等离子体活性物质在气体的吹送下鼓泡进入容器内并与液体发生反应以对液体进行处理，生成气体产物与被处理液体；

生成的气体产物经由气体循环部分回输到主体部分内，以与高压交流电共同作用使电极棒放电产生等离子体活性物质并将等离子体活性物质吹送到容器内；

容器内液体从容器的出水口流出后在液体循环部分的作用下经由容器的回水口回输到容器内，以便再次与等离子体活性物质反应。

具体的，利用上述等离子氧化水处理装置进行水处理的方法包括：

S01、在水处理之前对等离子氧化水处理装置的组装

组装主体部分：

将容器固定安装在底座上，在容器内注入待处理液体；将介质管粘在上盖底部，然后将鼓泡组件中鼓泡管套在介质管外并将鼓泡管顶端粘在上盖底部(相应的，介质管的高度略小于鼓泡管高度)，接着将通气帽(如现有技术瓶盖形状，并在瓶盖上设进气口)固定在上盖顶部(可通过胶粘或螺纹连接等方式固定在上盖上)，通气帽要盖住贯穿上盖的通孔，然后将带有介质管、鼓泡组件的上盖与容器顶端连接，使通气帽上的进气口可通过上盖的通孔与鼓泡管内部相连通，使鼓泡组件下部的大部分插入到容器的液体内。再将电极棒由上至下穿过通气帽中心及上盖的中心孔，并使底端接触介质管底部(也可不接触底部)。

组装液体循环部分与主体部分：

将液体循环部分的蠕动泵安置在回水管道上，并将回水管道的两端与容器的回水口和出水口分别相连通，从而通过回水管道使容器内液体可以被循环利用。

组装气体循环部分与主体部分：

将气体循环部分的气体输送管道的进气端与气体瓶连通，再将气体流量计、流量泵依次安装在气体输送管道上，再将回输管道的进气端与容器上部开设的出气口相连通，将回气管道的出气端与气体输送管道的位于气体流量计、流量泵之间的部分相连通，将气体输送管道的出气端与主体部分进气帽上的进气口相连通，从而通过回输管道使容器内气体可以被循环利用。

组装控制部分与主体部分：

将控制部分的低温等离子体电源主机与调压器和示波器连接在一起，然后将电极棒顶端与低温等离子体电源主机的电源电压输出端连接。

需要说明的是，上述各部分的组装顺序可根据实际情况调整。

S02、等离子氧化水处理装置组装完成之后，对容器内的液体进行水处理

通过控制低温等离子体电源主机工作，为电极棒提供高压交流电，并利用气体循环部分的气体瓶为电极棒放电提供氧气，电极棒在高压交流电和进入到鼓泡管内氧气的作用下发生气体放电，放电产生的等离子体活性物质在持续进入到鼓泡管内的氧气吹送下，经过石英砂板以鼓泡的形式进入到容器的液体内，等离子体活性物质与容器内的液体接触发生反应，从而对容器内液体进行净化处理。

在容器内液体被逐渐净化处理的过程中，等离子体活性物质与液体发生反应后会生成气体产生-臭氧，而为使反应生成的臭氧可以被循环利用，本发明经由回输管道将臭氧输送到气体输送管道内，并在流量泵的作用下，将臭氧与气体瓶输送的氧气混合后经由进气口(也可将臭氧和氧气单独输送到进气口)输入到鼓泡管内，以使电极棒持续进行放电反应，并在混合后气体的持续吹送下将放电反应生成的等离子体活性物质以鼓泡形式吹送到容器的液体内。而容器内的液体(包含已被净化处理的液体和未被净化处理的液体)经由容器的出水口流出进入到回水管道，并在回水管道上蠕动泵的持续抽动作用下经由容器的回水口回输到容器内，从而可以使容器内液体持续不断地与放电生成的等离子体活性物质发生反应，避免出现容器内的一部分液体未能与等离子体活性物质发生充分反应的情况。

在上述水处理的过程中，气体循环部分为电极棒放电提供气体时，可通过气体流量计控制氧气的输送流速，以调节电极棒放电反应后气泡的生成，优选的，流速为2.22L/min效果最好，有利于电极棒放电气泡更好地形成；并且，还可通过流量泵控制臭氧与氧气混合后气体循环的流量，以提高进入鼓泡管内气体的稳定性，优选的，控制流量泵转速为50转/min效果最好，气体进入到鼓泡管内的稳定性最佳。

此外，通过控制部分为电极棒提供高压交流电时，还可通过改变高压交流电的电压、电流以及频率等参数，使电极棒气体放电产生等离子体活性物质，以便调节等离子体活性物质对容器内液体的处理效率，优选的，控制电源电压为22.4kV、频率为8.5KHZ时，处理效率更高。

而在处理的过程中，可以在容器的出水口取样供后续试验分析，并将经出水口流出的液体循环回输到容器中，循环回输时，通过控制蠕动泵的转速，调整容器内液体与等离子体活性物质的反应效果，优选的，使蠕动泵的转速为30转/min时，液体(废水)与等离子体活性物质的接触反应最充分，净化效果最佳。

下面，以介质管采用石英玻璃管、鼓泡管采用玻璃制成的玻璃曝气管、容器采用亚克力制成的亚克力管、亚克力管内的液体为废水、气体输送管道输送的气体为氧气为例，对采用等离子氧化水处理装置对废水进行水处理的过程进行简要描述：

将废水倒入亚克力管内，由于石英砂板会有细小的空隙，废水会透过石英砂板进入到玻璃曝气管内一小部分，但废水不会进入石英玻璃管。

废水倒进去亚克力管内之后，将上盖安置在亚克力管上部并固定。接着将低温等离子体电源的电压电极输入端与高压电极棒连接在一起。

打开气体流量泵，并调节转速，然后打开气体瓶的减压阀，通过气体流量计上显示的气体流量调节氧气的流速。

打开低温等离子体电源主机，通过调节调压器以改变电源的输入电压、电流、频率等(可以从示波器上读出电压、频率参数)；在有能量输入以及氧气的输入情况下，高压电极棒发生放电反应，生成等离子体活性物质，这些等离子体活性物质在氧体的吹入下通过石英砂板以鼓泡的形式与废水发生反应。

处理过程中，废水通过蠕动泵循环，使得废水都能和等离子体活性物质发生反应，并且，可从出水口取样，检测经处理过后水的指标。

在处理过程中，气体流量计、流量泵、蠕动泵的转速、电源的输入电压、电流、频率等可选择如下范围参数：

气体流量调节范围：0-4.0mL/min；

泵速调节范围：30-70转；

电压调节范围：16kV-30kV；

频率调节范围:600pps-1200pps；

电流调节范围：0-3.00A。

下面，结合图2a-图4，以具体实施例说明采用本发明装置与方法进行不同水处理的过程。

实施例一、

如图2(a)所示，为采用本发明装置与方法对不同pH下SDBS(十二烷基苯磺酸钠)进行去除率变化试验时所得的示意图，具体实验过程如下。

实验一

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L、pH＝3的SDBS溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上(可采用螺纹连接，也可采用螺丝固定)，把作为高压电极棒的钛棒插入内径为4mm、外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钛棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源频率为1000pps，调节电压为23kV；

5.打开蠕动泵，使亚克力管内的SDBS溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从出水口取一次样；共处理30min。

实验二

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L、pH＝7.5的SDBS溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把钛棒插入内径为4mm、外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钛棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源频率为1000pps，调节电压为23kV；

5.打开蠕动泵，使亚克力管内的SDBS溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

实验三

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L、pH＝11的SDBS溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把钛棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钛棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源频率为1000pps，调节电压为23kV；

5.打开蠕动泵，使亚克力管内的SDBS溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

通过上述各实验可知，在碱性环境下，SDBS溶液的去除速率更快，但经过30min的处理，不管是酸性环境下还是碱性环境下，等离子体活性物质会打破SDBS溶液中原物质的结构，使得SDBS溶液最终可以达到100％的去除率，

实施例二、

如图2(b)、图2(c)、图2(d)所示，分别为采用本发明装置与方法对不同电压下SDBS(十二烷基苯磺酸钠)进行去除率变化、TOC降解、能量效率等试验所得的示意图，具体实验过程如下。

实验一

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的SDBS溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把高压电极钛棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钛棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源频率为830pps，调节电压为23kV；

5.打开蠕动泵，使亚克力管内的SDBS溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

实验二

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的SDBS溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把钛棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与高压电极连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源频率为830pps，调节电压为25.2kV；

5.打开蠕动泵，使亚克力管内的SDBS溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

实验三

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的SDBS溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把高压电极钛棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与高压电极连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源频率为830pps，调节电压为27.4kV；

5.打开蠕动泵，使亚克力管内的SDBS溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

通过上述各实验可知，随着电压的升高，SDBS溶液的浓度去除率不断升高，TOC的降解率也在不断地增大。这是因为电压提高后，电场强度增强，产生的电子能量随之升高，电子数量增多，具有高能量的电子与污染物碰撞使其分子键断开，将复杂大分子物质分解成易于降解的小分子物质。同时，电场强度增强，促使羟基自由基等活性粒子数量增多，促进了对污染物的氧化，从而提升了污染物去除效率。

图2(d)是对不同电压条件下电压和电流随时间的乘积积分，计算出消耗单位能量所降解的COD的量，由图2(d)可知，23kV时能量利用率最高。综合污染物去除效果和能耗情况，确定23kV为最佳处理电压。

实施例三、

如图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)所示，分别为采用本发明装置与方法对不同放电频率下甲基橙溶液进行CODcr变化、去除率变化、色度变化、能量效率试验所得的示意图，具体实验过程如下。

实验一

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的甲基橙溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把钛棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钛棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源电压为23kV，调节放电频率为830pps；

5.打开蠕动泵，使亚克力管中的甲基橙溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

实验二

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的甲基橙溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把高压电极钛棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钛棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源电压为23kV，调节放电频率为920pps；

5.打开蠕动泵，使亚克力管中的甲基橙溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

实验三

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的甲基橙溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把高压电极钛棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钛棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源电压为23kV，调节放电频率为1000pps；

5.打开蠕动泵，使亚克力管中的甲基橙溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

通过上述各实验可知，频率为830pps时，降解COD的速率更快，效果更好，色度去除效果最好，能量利用率也最高，综合考虑，频率为830pps时为最佳放电频率。

实施例四、

如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，为采用本发明装置与方法，分别以钛棒、钢棒、钨棒、铜棒作为高压电极棒时对甲基橙溶液进行COD、色度与浓度去除率变化试验所得的示意图，具体实验过程如下。

实验一

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的甲基橙溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把钛棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钛棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源电压为23kV，调节放电频率为830pps；

5.打开蠕动泵，使亚克力管中的甲基橙溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

实验二

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的甲基橙溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把高压电极铜棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与铜棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源电压为23kV，调节放电频率为830pps；

5.打开蠕动泵，使亚克力管中的甲基橙溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

实验三

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的甲基橙溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把高压电极钢棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钢棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源电压为23kV，调节放电频率为830pps；

5.打开蠕动泵，使亚克力管中的甲基橙溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

实验四

1.打开亚克力管上部的上盖，将2L、50mg/L的甲基橙溶液倒入亚克力管中，将上盖固定在亚克力管上，把高压电极钨棒插入内径为4mm，外径为7mm的石英玻璃管；

2.将电源的高压输出端与钨棒连接起来；

3.打开流量泵，同时将流量泵的转速调为50；打开气体瓶的减压阀，往玻璃曝气管里面通入气体，根据气体流量计的显示，调节气体流量为2.22L/min；

4.打开低温等离子体电源主机的开关，固定电源电压为23kV，调节放电频率为830pps；

5.打开蠕动泵，使亚克力管中的甲基橙溶液循环起来；

6.打开秒表计时，每5min从取样口取一次样；共处理30min。

通过上述各实验可知，随着处理时间的增加，甲基橙溶液的COD与色度都在降低，浓度去除率在不断升高。从图4(a)-图4(c)可以看出，以钛棒、铜棒、钢棒、钨棒分别作为高压电极棒时，处理效果：铜棒>钨棒>钢棒>钛棒，即，铜棒作为高压电极棒效果最佳。

综上所述，采用本发明的装置与方法，能够大幅度降低UV464(464nm是甲基橙的特征吸收波长，通过UV464来计算甲基橙的浓度)、CODcr、色度等指标，和现有技术相比，可显著提高净化效果，而且在30min的时间内可完成一批次的水处理、运行高效。

尽管上述对本发明做了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子氧化水处理装置，包括：

主体部分，具有用于在高压下产生等离子体活性物质的电极棒和上部开口并用于盛装液体的容器；

控制部分，其电源电压输出端电连接电极棒以便为电极棒提供高压交流电；

液体循环部分，其两端与容器的回水口和出水口分别相连通，用于将容器的从出水口流出的液体经由回水口回输到容器内；

气体循环部分，与主体部分连接，用于为电极棒放电提供气体并将电极棒放电产生的等离子体活性物质与液体反应生成的气体产物回输到主体部分内。

2.根据权利要求1所述的等离子氧化水处理装置，所述主体部分还包括：

套装于电极棒外的用于作为放电介质的介质管；

套装在介质管外的用于使电极棒放电产生的等离子体活性物质鼓泡进入液体内的鼓泡组件。

3.根据权利要求2所述的等离子氧化水处理装置，所述鼓泡组件包括：

其两端开口且套装在介质管外的鼓泡管，与气体循环部分相连通；

与鼓泡管底端连接为一体并将底端开口封住的石英砂板，电极棒放电产生的等离子体活性物质经由石英砂板鼓泡进入液体内。

4.根据权利要求2所述的等离子氧化水处理装置，所述主体部分还包括：

用于支撑容器底部的底座；

用于与容器顶部可拆卸连接的上盖；

其中，所述电极棒的顶端伸出于上盖后与电源电压输出端电连接。

5.根据权利要求1所述的等离子氧化水处理装置，所述气体循环部分包括：

具有用于输送气体的气体输送管道的气体输送组件；

与设置在容器上的出气口相连通的用于输送气体产物的回输管道；

其中，气体输送管道的出气端和回输管道的出气端分别与主体部分的进气口相连通；或者，回输管道的出气端与气体输送管道相连通，气体输送管道的出气端与主体部分的进气口相连通。

6.根据权利要求5所述的等离子氧化水处理装置，所述气体循环部分还包括：

设置在气体输送管道上的用于检测气体输出流量的气体流量计；

设置在气体输送管道上的用于调节气体输送流量的流量泵。

7.根据权利要求1所述的等离子氧化水处理装置，所述液体循环部分包括：

其一端与容器的出水口相连通、另一端与容器的回水口相连通的回水管道；

设置在回水管道上的用于将出水口流出的液体泵向回水口以便等离子体活性物质与容器内液体充分反应的蠕动泵。

8.根据权利要求4所述的等离子氧化水处理装置，所述介质管顶端与所述上盖底部连接，所述鼓泡管顶端与所述上盖底部连接。

9.根据权利要求8所述的等离子氧化水处理装置，所述上盖中心设有用于供所述电极棒穿过的中心孔，且上盖顶端安装有进气口与所述鼓泡管相连通的进气帽。

10.一种利用如权利要求1-9任一项所述等离子氧化水处理装置进行水处理的方法，包括：

将主体部分的电极棒安置在上部开口且盛装有液体的容器内；

通过液体循环部分将容器的回水口和出水口相连通；

将气体循环部分与主体部分连接，并将控制部分的电源电压输出端电连接电极棒；

通过控制部分为电极棒提供高压交流电，并通过气体循环部分为电极棒放电提供气体；

电极棒在高压交流电和气体的作用下放电产生等离子体活性物质，等离子体活性物质在气体的吹送下鼓泡进入容器内并与液体发生反应以对液体进行处理，生成气体产物同时净化液体；

生成的气体产物经由气体循环部分回输到主体部分内，以与高压交流电共同作用使电极棒放电产生等离子体活性物质并将等离子体活性物质吹送到容器内；

容器内液体从容器的出水口流出后在液体循环部分的作用下经由容器的回水口回输到容器内，以便再次与等离子体活性物质反应。

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