CN201923870U

CN201923870U - 一种用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置

Info

Publication number: CN201923870U
Application number: CN2010206722598U
Authority: CN
Inventors: 辛煜; 吉亮亮
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2020-12-21

Abstract

本实用新型公开了一种用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，包括集水池、功率电极、接地电极、匹配装置和电源，所述功率电极和接地电极的至少一部分浸入集水池内的水中，其特征在于：所述电源为脉冲射频电源，所述匹配装置包括两个可调电容和一个定值电感，用于调制整个匹配回路的功率耦合效率，其中一个可调电容连接于脉冲射频电源的脉冲输出端与接地端之间，定值电感和另一个可调电容串联于脉冲射频电源的脉冲输出端与功率电极之间。本实用新型通过水下脉冲射频等离子体放电，能对大部分有机污染物进行有效降解，并可有效减少电磁污染，提高降解率。

Description

一种用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于废水处理的装置，尤其涉及一种采用脉冲射频激发的、电极悬吊于水中的、容性耦合等离子体放电的废水处理装置。

背景技术

随着社会工业化和城市化进程的不断发展，我国有限的淡水资源正日益受到来自工业废水和生活污水不断污染的威胁。低成本高效地实现废水处理是摆在人们面前的一个需要迫切解决的问题。

氧化处理技术是污水处理的一个重要方法，常规的氧化技术是基于强氧化剂的基础之上的，但不可避免地带来氧化剂的二次污染；另外一种水处理的氧化技术则被称为高级氧化技术，主要包括臭氧、紫外光或电子束/离子束辐照、光催化等处理方式。但是，随着污染状况的日益严重，原有的高级氧化技术亦不能满足要求，因此需要在原有高级氧化技术的基础之上寻找新的氧化技术。水下等离子体放电高级氧化技术作为一种新兴的高级氧化技术逐渐进入了人们的视线。

等离子体是一种多粒子、多自由度、弱相互作用的复杂电、磁流体，由各种带电粒子、中性基团、原子、分子和不同波长光子等所组成的物质第四态。一般可以分为低温等离子体和热等离子体：如果用T_e和T_i分别来表示等离子体中的电子温度和离子温度，当体系中T_e>> T_i时，其电子温度高达10⁴K以上，而离子和原子之类的重粒子温度为300~500K，此时的等离子体称为低温等离子体；当体系中T_e≈T_i时，称为平衡等离子体，此时整个体系温度约为10³-10⁴K，此时的等离子体称为热等离子体。其中电子和离子是两个重要的能量载体，大范围的电子和离子能量分布以及高度活性的激发态粒子使得等离子体具备了超化学能力，从而引发常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。这些特点决定了等离子体在诸多领域，如薄膜生长、基片刻蚀、材料表面改性、生物表面修饰、细胞分离、灭菌、空气净化以及等离子体隐身等，具有广泛应用。

目前人们较为广泛研究和使用的是高压脉冲水下放电反应系统。利用高压直流电源和旋转火花塞以及脉冲电容、滤波电容形成高压脉冲结合针状电极产生丝状流光放电。伴随着放电等离子体的出现，会产生一系列的物理与化学变化，形成强紫外线、冲击波以及^.OH、^.O、^.H、H₂O₂、O₃等一些活性基团与物质。这些使得水下放电无需额外的辅助就可以实现对废水的净化与处理。

但是上述反应器难以形成大体积的放电，无法满足大范围和快速的污水处理要求。此外，由于强高压导致的电磁辐射，难免会干扰周围其他设备的正常运行，因此，对反应器的屏蔽也提出了相应的要求。如何在降低工作电压的同时又不影响废水处理效率，以及如何提高操作安全度及增强反应器的可移植性是水下等离子体反应器设计的一个重点。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，以降低等离子体放电装置的工作电压，减弱放电装置对周围环境的电磁污染，实现有机废水的有效降解。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，包括集水池、功率电极、接地电极、匹配装置和电源，所述功率电极和接地电极的至少一部分浸入集水池内的水中，所述电源为脉冲射频电源，所述匹配装置包括两个可调电容和一个定值电感，用于调制整个匹配回路的功率耦合效率，其中一个可调电容连接于脉冲射频电源的脉冲输出端与接地端之间，定值电感和另一个可调电容串联于脉冲射频电源的脉冲输出端与功率电极之间。

上文中，功率电极与液体的接触区形成了等离子体的激发区域。使用时，开启具有一定射频频率的脉冲射频电源，设置合适的脉冲频率和占空比参数，由脉冲波形对射频信号进行调制，通过调节两个可调电容的大小到一个合适的范围，脉冲射频功率将经由匹配装置最大限度地耦合到反应器中的功率电极上。利用脉冲射频场对溶液进行瞬间加热蒸发在电极表面形成局部的低密度气泡或气层区域，脉冲射频场在该区域击穿气体，从而激发产生脉冲射频等离子体。伴随着放电等离子体的出现，会产生一系列的物理化学变化，如形成强紫外线、冲击波以及OH、O、H、H₂O₂、O₃等活性基团与物质，这些物理与化学变化能够有效地协同降解有机废水。

上述技术方案中，所述功率电极外套设有一个内径1.1mm～5.1mm的石英管，功率电极末端与石英管口保持齐平或内缩于石英管口0～0.5mm的范围。该结构可以减少电极与液体的接触面积，从而利于在电极末端形成强电场，并击穿气体激发产生形成等离子体。

上述技术方案中，所述功率电极与套设在功率电极外的石英管采用悬吊结构定位，下端直接浸入待处理废水中。因而，本装置无需额外的反应器固定装置，一方面，大大降低射频加热能耗，另一方面，大大增强了装置的可操作性，也易于调节功率电极浸入待处理废水的深度。

上述技术方案中，所述集水池设于一电磁屏蔽箱内。

优选的技术方案，所述集水池上设有与电磁屏蔽箱外的水体连通的进水口和出水口，所述进水口和出水口设于功率电极和接地电极间产生的等离子放电区的相对的两侧。采用这种方案，可以对废水进行连续处理，提高处理效率，特别适合于大范围和快速的污水处理。

进一步的技术方案，所述集水池的底部设有磁力搅拌器。可以使放电产生的基团与溶液更加均匀地反应。

上述技术方案中，所述的脉冲射频电源的脉冲频率和占空比均可调节，脉冲频率的变化范围在200Hz～100KHz，占空比的变化范围在5%～90%。

所述脉冲射频电源产生的射频激发频率在10MHz～60 MHz之间。

采用不同电感量的感性元件，通过改变可调电容的调节范围，使得匹配网络的谐振频率与射频频率相等，可以有效激发产生相应的水下脉冲射频等离子体。优选的技术方案是：10KHz的脉冲频率，占空比为30%，射频激发频率为27.12MHz。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1. 与现有的高压脉冲激发水下放电系统相比，本发明采用脉冲射频方式在水下激发产生等离子体，可以通过并联电极方式获得较大面积的水下等离子体，具备较高的等离子体密度、等离子体温度以及较高浓度活性基团与活性物质浓度，可以快速地处理大体积的废水；同时，脉冲射频水下放电模式相比于高压脉冲水下放电所需的上万伏的电压而言具有较低的激发电压（约2KV左右），因而，在环境中的电磁污染可以通过电磁屏蔽几乎全部消除。

2. 本实用新型可以采用功率电极悬吊方式，与现有脉冲高压放电技术中的水下电极放置方式相比，一方面，本发明中可以根据实际情况调节浸没在溶液中电极的深度，使得电极表面瞬间温升，在电极表面产生气泡或气层，有利于能源消耗的降低；另一方面悬吊方式的射频电极省略了反应器中的固定支架，大大增强了反应装置的可移植性。

3. 与连续的射频水下放电而言，水下脉冲射频放电具有更高的降解率。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的结构示意图。

图2是实施例二中刚果红溶液降解前和脉冲射频与连续射频水下放电10分钟放电对刚果红降解后的紫外可见光谱曲线。

图3是实施例二中脉冲和连续条件下射频水下放电时刚果红溶液降解率随时间的变化情况。

图4是脉冲射频信号示意图。

其中：1、脉冲射频电源；2、可调电容；3、定值电感；4、可调电容；5、功率电极；6、石英管；7、接地电极；8、集水池；9、观察窗口；10、屏蔽箱；11、磁力搅拌器。

具体实施方式

下面结合图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：参见附图1，其中等离子体反应器包括一个敞口玻璃容器作为集水池8，钨制的功率电极5，套在钨制电极外层的石英管6，用以降低钨电极与溶液的接触面积，以及金属接地电极7，为使水下射频放电产生的活性基团能充分与有机物发生降解反应，在容器底部设置了一个磁力搅拌器11。在一个较佳的实施案例中，敞口玻璃容器为柱状，直径为100mm，功率电极直径为1.0mm，功率电极在反应器正中央，接地电极在反应器边缘处，功率电极进入液面下方5mm，脉冲频率为30KHz，占空比为50%，射频激发频率为13.56MHz。通过调节两个可调电容2和4的大小，使得整个LC振荡回路的振荡频率与射频激发频率相等，以保证射频电极可以最大限度的吸收射频功率。

本实施例的水下放电等离子体反应器的工作原理如下，在反应容器中注入适量有机染料溶液作为待处理废水，输入射频功率后，液体在脉冲射频场的作用下首先被瞬间加热蒸发，在电极表面产生气泡或气层，形成局部的低分子密度区域，并在该区域首先形成激发产生等离子体，同时生成大量的自由电子和热量以维持等离子体。伴随着等离子体的出现，会形成大量的活性基团与活性物质，如OH、O、H、H₂O₂、O₃等，在无需任何外界辅助条件下可以实现对有机废水的降解。

实施例二：设定脉冲射频电源的参数如下，脉冲频率为100KHz，占空比为30%、射频频率为13.56MHz，在水下激发产生等离子体，并设定射频净输入功率为100W，典型的脉冲射频信号如图2和图3所示。150mL的刚果红溶液浓度为20mg/L，经过10分钟的水下放电降解后，刚果红溶液经过紫外可见光谱的测定可发现其降解率约为81.8%，高于同等条件下连续（不施加脉冲）射频水下放电的效果。图2所示的是刚果红溶液降解前和脉冲射频与连续射频水下放电10分钟放电对刚果红降解后的紫外可见光谱曲线，图3是脉冲和连续条件下射频水下放电是刚果红溶液降解率随时间的变化情况。

图4是射频频率13.56MHz，脉冲频率10KHz，占空比30%的脉冲射频信号示意图。

实施例三：设定脉冲射频电源的参数如下：脉冲频率为10KHz，占空比为30%，射频激发频率为27.12MHz，设定射频净输入功率为100W。150mL的刚果红溶液浓度为20mg/L，经过10分钟的水下放电降解后，刚果红溶液经过紫外可见光谱的测定可发现其降解率为86.1%，高出同等条件下脉冲13.56MHz的射频水下放电的效果约10%。

实施例四：采用实施例一的装置进行对比实验结果如下。

表1. 不同占空比下13.56MHz射频激发水下等离子体放电的刚果红溶液的降解率。脉冲调制频率为20KHz，刚果红溶液的体积为150mL，刚果红溶液的浓度20mg/L，脉冲射频净输入功率为100W，处理时间为10分钟。

占空比	30%	60%	90%
				降解效率	77.3%	73.6%	65.6%

表2. 不同脉冲调制频率下13.56MHz射频激发水下等离子体放电的刚果红溶液的降解率。脉冲频率的占空比30%，刚果红溶液的体积为150mL，刚果红溶液的浓度20mg/L，脉冲射频净输入功率为100W，处理时间为10分钟。

脉冲频率	10K	20K	50K	100K
					降解效率	76.9%	77.3%	81.8%	81.8%

表3. 脉冲调制频率为10K、脉冲占空比为30%下不同射频频率激发水下等离子体放电的刚果红溶液的降解率。刚果红溶液的体积为150mL，刚果红溶液的浓度20mg/L，脉冲射频净输入功率为100W，处理时间为10分钟。

射频频率	13.56MHz	27MHz	41MHz	60MHz
					降解效率	77.3%	86.1%	79.7%	78.1%

注：降解率h的计算是依据所测量的刚果红溶液特征峰（特征峰波长为498nm）高度的变化而得来的，h＝(I₀-I)/I₀，其中，I₀为刚果红溶液降解前的峰高，I为降解后的峰高。

Claims

1. 一种用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，包括集水池、功率电极、接地电极、匹配装置和电源，所述功率电极和接地电极的至少一部分浸入集水池内的水中，其特征在于：所述电源为脉冲射频电源，所述匹配装置包括两个可调电容和一个定值电感，用于调制整个匹配回路的功率耦合效率，其中一个可调电容连接于脉冲射频电源的脉冲输出端与接地端之间，定值电感和另一个可调电容串联于脉冲射频电源的脉冲输出端与功率电极之间。

2. 根据权利要求1所述的用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，其特征在于：所述功率电极外套设有一个内径1.1mm～5.1mm的石英管，功率电极末端与石英管口保持齐平或内缩于石英管口0～0.5mm的范围。

3. 根据权利要求2所述的用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，其特征在于：所述功率电极与套设在功率电极外的石英管采用悬吊结构定位，下端直接浸入待处理废水中。

4. 根据权利要求1所述的用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，其特征在于：所述集水池设于一电磁屏蔽箱内。

5. 根据权利要求4所述的用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，其特征在于：所述集水池上设有与电磁屏蔽箱外的水体连通的进水口和出水口，所述进水口和出水口设于功率电极和接地电极间产生的等离子放电区的相对的两侧。

6. 根据权利要求1所述的用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，其特征在于：所述集水池的底部设有磁力搅拌器。

7. 根据权利要求1所述的用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，其特征在于：所述的脉冲射频电源的脉冲频率和占空比均可调节，脉冲频率的变化范围在200Hz～100KHz，占空比的变化范围在5%～90%。

8. 根据权利要求7所述的用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，其特征在于：所述脉冲射频电源的射频激发频率在10MHz～60 MHz之间。

9. 根据权利要求8所述的用于废水处理的水下脉冲射频等离子体放电装置，其特征在于：脉冲频率为10KHz，占空比为30%，射频激发频率为27.12MHz。