CN1459421A - 一种电脉冲微型等离子体水处理方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用电脉冲微型等离子体处理污水的方法和设备。该方法设备可根据净化指标的要求控制污水的处理过程，该方法是将污水放置在一个装有金属载荷的反应器内，通过依次施加电脉冲来实现的，设备由反应器和电流脉冲发生器组成，使用该方法及设备可以去除水中所含的物理化学和微生物等污染物，其中包括各种重金属、石化生产排放物、润滑冷却剂、有机物、毒素、微生物，细菌、放射性元素以及其它污染物。该技术可用于工业、农业、及社会公共事业等领域中的供水和污水处理。

Description

一种电脉冲微型等离子体水处理方法和设备

所属技术领域

本发明属于等离子物理与等离子化学相结合的应用技术领域，特别是一种电脉冲微型等离子体水处理方法和设备。

背景技术

现有的污水处理以及对水进行灭菌消毒的方法和技术很多，有利用膜过滤、紫外线照射的物理方法；利用氧化还原剂、杀菌剂的化学方法及微生物的生物化学法等。这些方法都是单独地利用某一功能对水中特定成分进行作用的，不能对水进行综合地处理。如生物化学法中采用的微生物能够对水中有机成分起到分解作用，而对水中的重金属却无能为力。同时利用这些方法还存在处理成本高(如膜过滤法)、形成二次污染(如化学法)、处理效率低(如紫外线照射法、臭氧法)等问题。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用电脉冲微型等离子体处理污水的方法和设备。该方法和设备可根据净化指标的要求控制污水的处理过程，高效率地去除水中所含物理、化学和微生物等污染物，其中包括各种重金属、石油产品、无机物、有机物、细菌以及其它多种污染物，无污染，处理成本低廉。

本发明的解决技术方案是：先在水中放入颗粒状金属载荷，然后对其施加电脉冲，在金属颗粒间放电形成微型等离子体，金属颗粒被放电刻蚀和氧化，生成具有很强絮凝作用和极化吸引作用的金属氢氧化物和金属氧化物，水中中性化和极化了的杂质微粒被金属氢氧化物和金属氧化物所絮凝和吸附，最后形成沉渣从水中去除。电脉冲是由依次施加的电压脉冲和电流脉冲组成，电压脉冲的电压值为800-1000V，电压脉冲的电流值为150-300A，电流脉冲的电压值为100-300V，电脑脉冲的电流值为500-1500A。电流脉冲与电压脉冲的能量比为0.1-10。设备由反应器(10)和电流脉冲发生器(21)组成。反应器(10)内的支撑板(2)的上部设有放电反应室(7)，下部为进水室(11)。放电反应室(7)内设有的两个电极板(8)之间由电极隔板(4)分隔。金属颗粒(6)放置在放电反应室(7)内，反应器(10)上的两根电源线(3、9)与电流脉冲发生器(21)的输出端(15、16)相连接，电流脉冲发生器(21)由工作箱以及安装在工作箱内的电流脉冲发生器电路组成。电流脉冲发生器电路由整流滤波电路(26)和脉冲形成电路(28)组成，脉冲形成电路(28)中可控硅(11、12、13、14)采用并联方式连接。

在本发明中，上述的各项特征是靠如下措施具体解决实现的：污水是在一个装有颗粒状金属载荷的放电反应室内通过电脉冲微型等离子体进行加工处理的。要依次施加一个电压脉冲和一个电流脉冲。电流脉冲和电压脉冲的能量比可在0.1-10的范围内变化。电压脉冲的电压值为800-1000V、电压脉冲的电流值为150-300A  电流脉冲的电压值为100-300V、电流脉冲的电流值为500-1500A。这时由于电脉冲微型等离子体所产生的局域高温、压强、电磁场、紫外线辐射、激波等，在水中形成了大量的化学活性很高的离子，其中包括原子态的氢和氧，以及其激发态的分子和自由基，为使水中杂质的高度解离、氧化、还原和中性化创造了条件。杂质分子的微结构被破坏，弥散在水中；同时对金属颗粒的电脉冲刻蚀和氧化，形成了它们的氧化物和氢氧化物，后者在絮凝过程中吸附了中性化杂质，最后形成沉淀沉渣从水中滤除。可见，这种方法不仅可保障得到有效的絮凝作用，同时还可形成有很强吸附特性的晶体结构化合物，从而可使水得到充分地净化。

经过上述的物理和化学处理所形成的沉渣具有特殊的物理性质和化学性质，其固相密度可达5-6kg/m³，它的体积要比通常的小2-3倍。沉渣的85-90％是金属氧化物，其中被固化的污染物质只占3-5％，因此这种沉渣可作为生产化学催化剂、染料和制造陶瓷、砖和水泥添加剂等的珍贵原料。

在本发明方法中，由于局域高温、高压强、电磁场、紫外线辐射、激波以及放电生成的臭氧等都具有很强的杀菌功能，因此能够在去除污水杂质过程的同时实行高效地杀菌。

在本发明方法中所使用的复合式脉冲，既有高电压小电流区域，又有低电压大电流区域，可根据处理水的需要进行选择。对含有不同污染物的污水进行电脉冲微型等离子体处理的实验研究结果表明，能够对不同污水进行有效处理的电流脉冲和电压脉冲的能量比在0.1-10之间。通过改变电流脉冲和电压脉冲的能量比就可以改变形成的金属氢氧化物和金属氧化物的相成分，进而能够控制水处理效果。

在高电压低电流区域，当采用金属颗粒(6)做负载时，主要形成的是二价的铁离子及其氧化物：FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄和FeOOH。它们具有很强的氧化和吸收表面，有利于从水中萃取重金属、有毒元素、放射性元素和硬盐等杂物。在低电压高电流区域，主要形成金属氢氧化物：Fe(OH)₂和Fe(OH)₃。它们具有高度发达的絮凝结构，能充分清除水中的石油、油脂、表面活性物质和微生物。当电流脉冲和电压脉冲的能量比低于0.1时，水处理效果下降；而高于10时能耗急剧增大，这是由于水被加热造成的。

污水的处理是借助于相继施加一个高压脉冲和一个电流脉冲进行的。在脉冲放电开始的初始阶段，所加高压脉冲的电压为800-1000V，以保证污水中金属颗粒之间的稳定击穿。一般在被处理的污水中含有盐、酸、碱等电解质，污水的电导率很高。当电压低于800V时，由于在这种高电导的水溶液中放电通道会分裂和衰减，所以实现脉冲放电很困难；当电压高于1000V时，将使处理过程和设备进入高电压工作的状态，由此提高了水处理的成本。电压脉冲的电流为150-300A。当电流低于150A时，污水处理效果不好，其原因是对金属颗粒刻蚀性降低；当电流高于300A时，脉冲的部分能量开始损耗在金属的汽化上，同样降低了污水处理效果。在脉冲放电开始的后续阶段，水的处理是借助于施加强电流脉冲进行的，放电电压维持在100-300V。当电压低于100V时，会降低污染物解离的强度和氧化物还原反应的速度；当电压高于300V时，欧姆热损失增大，导致能量的有效利用系数降低。强电流脉冲的电流为500-1500A。当电流低于500A时，在放电初始阶段刻蚀下来的金属来不能有效地同水中其它离子发生反应；当电流高于150A时，将导致被处理水的过热，产生不必要的能量损失。

在放电反应室(7)里电极板(8)和被隔开的空间应该这样安排布置：在对应的两个电级板(8)上任意一对等高点之间的放电间隙的距离相等，以此来保证电磁场的均匀性，即在整个电极板(8)表面上电流密度相等。电极板(8)是由电介质的电极隔板(4)分开的，通过电极隔板(4)间通道注入要处理的水。每个电极隔板(4)的高度应该与电极板(8)的顶端等高。电极隔板(4)的间距应该根据金属颗粒(6)的尺度和工作电压来决定(对于粒度为5-10mm的颗粒和工作电压600-800V，电极隔板(4)的间隔在80-100mm之间)。

电极板(8)可通过金属颗粒(6)层的保护防止电蚀，从而延长了它们的使用寿命而不用更换。工作材料(铁屑、铁矿砂、车边废料等)根据它们的消耗情况可连续地被投入放电反应室(7)。要处理的水通过水泵经过入水口(1)进水室(11)和入水通道(5)泵入放电反应室(7)，被刻蚀下来的金属微粒被水氧化形成金属氢氧化物或金属氧化物。在放电反应室里发生还原反应。通过这些反应，污染物被中和，被中和后的污染物又部分地被金属氢氧化物或金属氧化物絮凝和吸收。放电反应室(7)是在连续的自动化的状态下工作的，根据处理水的流量和污染物的浓度自动地调节放电功率，以保证出口处的水符合净化指标。

反应器(10)是采用模块式设计的。它可以由一个、两个或多个模块组装而成。做反应器(10)的材料是聚丙乙烯或其它介电材料。每个模块上都装有投料系统和水流量控制系统。

本发明专利中所设计采用的脉冲电流发生器电路，其最大参数为：脉冲电压100KV，脉冲电流1500A，脉宽100μS，脉冲能量20J，脉冲频率2000Hz。这些参数都是我们通过大量实验确定下来的。

电流脉冲发生器电路由整流滤波电路(26)和脉冲形成电路(28)组成，脉冲形成电路(28)中可控硅(11、12、13、14)采用并联方式连接。

电流脉冲发生器电路工作过程如下：

1、整流滤波电路(26)工作过程

三相电经桥式二级管(27)、充电遏流圈(22)和滤波电容(23)、整流输出直流电压(流)至脉冲形成电路(28)。

2、脉冲形成电路工作过程

可控硅是由时序触发信号(V_DR1、V_DR2、V_DR3、V_DR4)控制的。首先由时序触发信号(V_DR1)使可控硅(12)导通，使充电电容(20)充电，再由时序触发信号(V_DR2)使可控硅(13)导通，充电电容(20)放电，完成一充放电过程。

由时序触发信号(V_DR3)导通可控硅(11)，使充电电容(17)充电，再由时序触发信号(V_DR4)导通可控硅(14)，充电电容(17)放电，完成二充放电过程。

上述两过程是交替进行的，放电后在放电反应室(7)产生的剩余能量通过二极管(18、19)对充电电容(17、20)充电，以利用该剩余能量和缩短下一过程的充电时间。

可控硅(11、12、13、14)参数根据电路输出功率而定，其中一个参数之一要求dI/dt＝500A/μS以上。二级管(18、19)选择高速脉冲二级管，充电电容(17、20)选择无感电容。

电流脉冲发生器(21)的特点是可以形成电流脉冲，可以满足处理各类污水的需要。对某一特定的污水的处理时，必须优化电流脉冲发生器(21)的调协参数，形成所需要的电流脉冲。电流脉冲发生器(21)的调协参数包括：脉冲能量、电压、脉冲电流和它的上升速度(dI/dt)。依赖于调协参数来形成金属氢氧化物或金属氧化物的物理化学特性，提高对特定污染物的吸收性能，以得到最佳的处理效果。

为了清除污水中的重金属、放射性物质和有毒金属，必须生成具有铁氧体特性结构的金属氧化物。为此，形成的电流脉冲必须具有高的肪冲能量和大的脉冲电流，但电压低、电流上升速度慢和脉冲宽。例如：W＝20J，Iu＝1000A，Uu＝500V，dI/dt＝10⁷-10⁸A/S，τ＝50-70μS。

为了清除污水中的有机物质、油、盐以及其它阴离子，必须生成具有絮凝结构的金属氢氧化物。为此，必须形成这样的电流脉冲：脉冲能量低、脉冲电流小、电压高、电流上升速度快和脉冲窄。例如：W＝5J，Iu＝500A，Uu＝800V，dI/dt＝10⁸-10⁹A/S，τ＝30-40μS。

发生器的输出功率可通过电流脉冲的频率进行调整，它决定水的净化效率。

电流脉冲发生器的电路的特点是采用并联可控硅(11、12、13、14)以保证通过并联电路电流强制切断已被打开的可控硅。以此保证可控硅开关工作更加可靠，保证在可控硅断开时无论反应器的电阻有多大电路都会被可靠地切断。另一个特点是在并联的可控硅线路中工作电容的充电和放电交替进行形成所需电流脉冲，避免了在单一线路中串联可控硅同时开断的缺点。

采用了反逆向的二极管(18、19)，可利用反应器(10)中没有完全释放的能量对充电电容(17、20)辅助充电，使脉冲能量的有效利用系数提高了15-20％。

这些措施保证了水处理设备工作的稳定性和可靠性，保证了在不更换电极元件的情况下，反应器(10)能在自动化状态下维持长时间的工作。

电流脉冲发生器(21)安装在一个独立的工作箱里，用两根导线通过电流脉冲发生器(21)输出端15、16与反应器(10)输入端3、9相连。

本发明的有益效果是：在进行污水处理时，无需任何化学添加剂、原材料廉价、处理过程简单、无废弃物、容易实现控制和自动化；它缩短了水处理时间，极大地减少了能耗。能得到不富含盐的负离子酸根的洁净水。同时，沉渣还具有各种有益的物理化学性质，可用来作为生产化学催化剂、染料和制造陶瓷、砖和水泥添加剂等的珍贵原料。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的反应器的结构示意图。

图2是本发明的电流脉冲发生器电路的原理图。

图3是本发明的电流脉冲发生器的结构示意图。

图中，1.入水口，2.支撑板，3.电源线，4.电极隔板，5.入水通道，6.金属颗粒，7.放电反应室，8.电极板，9.电源线，10.反应器，11.可控硅，12.可控硅，13.可控硅，14.可控硅，15.电源输出端，16.电源输出端，17.充电电容，18.二级管，19.二级管，20.充电电容，21.电流脉冲发生器，22.充电遏流圈，23.滤波电容，24.限流电感，25.限流电感，26.整流滤波电路，27.二级管，28.脉冲形成电路。

具体实施方式：

向反应器的放电反应室(7)内填充金属颗粒(6)，并根据金属颗粒(6)(6)的耗损程度向放电反应室(7)添加新的金属颗粒(6)。污水以每小时2吨的流量由抽水泵通过入水口(1)、进水室(11)和入水通道(5)泵入反应器(10)。污水中含有杂质(毫克/每升)：Cr⁶⁺：37.8、Cu²⁺：20.0、Zn²⁺：19.0、Ni²⁺：28.5、Sn²⁺、Sn⁴⁺：10.0、CN^-：13.5，污水总污染物含量为128.8毫克/每升，水的PH值为3.8。所施加的脉冲电压为700V和200V，相应的脉冲电流为250A和800A，脉冲能量是7J，平均功率是0.6KW。污水经过反应器(10)处理后被排放到沉淀室，10分钟后取样进行检测，污水中杂质残余浓度为(毫克/每升)：Cr⁶⁺＜0.02、Cu²⁺：0.15、Zn²⁺：0.05、Ni²⁺：、0.1、Sn²⁺、Sn⁴⁺：0.3、CN^-：0.1，污水总的残余污染物含量为0.72毫克/每升。能耗0.3KW·h/m³，金属颗粒(6)消耗量5g/m³。所得沉渣成分的质量百分比为：α-Fe：10、FeO：38、Fe₃O₄：38、β-Fe₂O₃·H₂O：23，其中含有原污水中污染物的总质量比为3％。

电脉冲微型等离子体处理污水方法的有效性可由以下实验结果和指标来证明。水中重金属离子污染物(Cr⁶⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺)降低了95-99％；有毒金属(Be、As)降低了97-98％；表面活性物质、磷酸盐、有毒化学物质降低了70-90％。地表水源色度降低了90％、浊度降低了100％、铁和硅降低了70-75％、氧降低了50％、水的总硬度降低了2到3倍。

验证参数指标的几个实验：

实验是在三种脉冲状态下进行的，在每种状态下，处理水的流量、杂质浓度、以及脉冲发生器(10)输出功率都是相同的。污水处理的效果是根据处理前后水中杂质浓度的变化和脉冲能量的有效利用系数来评价的。

实验一：脉冲参数低于所申报的参数范围

        脉冲能量——0.07J

        高压脉冲的电压和电流——700V，130A；

        强流脉冲的电压和电流——80V，400A；

        杂质的处理效果——83％

        能量有效利用系数——0.68。实验二：脉冲参数高于所申报的参数范围

    脉冲能量——1.5J

    高压脉冲的电压和电流——1200V，350A；

    强流脉冲的电压和电流——400V，1800A；

    杂质的处理效果——89％

    能量有效利用系数——0.51。实验三：脉冲参数在所申报的参数范围

    脉冲能量——2.5J

    高压脉冲的电压和电流——900V，230A；

    强流脉冲的电压和电流——200V，1000A；

    杂质的处理效果——98％

    能量有效利用系数——0.85。

Claims (8)

1、一种电脉冲微型等离子体水处理方法，其特征在于采用下述步骤：先在水中放入颗粒状金属载荷，然后对其施加电脉冲，在金属颗粒间放电形成微型等离子体，金属颗粒被放电刻蚀和氧化，生成具有很强絮凝作用和极化吸引作用的金属氢氧化物和金属氧化物，水中中性化和极化了的杂质微粒被金属氢氧化物和金属氧化物所絮凝和吸附，最后形成沉渣从水中去除。

2、根据权利要求1所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法，其特征是：电脉冲是由依次施加的电压脉冲和电流脉冲组成，电压脉冲的电压值为800-1000V，电压脉冲的电流值为150-300A，电流脉冲的电压值为100-300V，电脑脉冲的电流值为500-1500A。

3、根据权利要求1或2所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法，其特征是：电流脉冲与电压脉冲的能量比为0.1-10。

4、一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法的设备，其特征是：它由反应器(10)和电流脉冲发生器(21)组成，反应器(10)内的支撑板(2)的上部设有放电反应室(7)，下部为进水室(11)，放电反应室(7)内设有的两个电极板(8)之间由电板隔板(4)分隔，金属颗粒(6)放置在放电反应室(7)内，反应器(10)上的两根电源线(3、9)与电流脉冲发生器(21)的输出端(15、16)相连接，电流脉冲发生器(21)由工作箱以及安装在工作箱内的电流脉冲发生器电路组成，电流脉冲发生器电路由整流滤波电路(26)和脉冲形成电路(28)组成，脉冲形成电路(28)中可控硅(11、12、13、14)采用并联方式连接。

5、根据权利要求4所述的一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法的设备，其特征是，反应器(10)中，电极隔板(4)的高度与两个电极板(8)的顶端高度相等。

6、根据权利要求5所述的一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法的设备，其特征是，两个电极板(8)之间的角度为110-160°。

7、根据权利要求4、5、6所述的一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法的设备，其特征是，在反应器(10)中，电极隔板(4)、金属颗粒(6)和电极板(8)所占容积为放电反应室(7)的1/5。

8、根据权利要求7所述的一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法的设备，其特征是，电流脉冲发生器(21)中的电流脉冲发生器电路中，采用了递向二级管(18、19)。

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