CN203866083U - 一种旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及等离子体应用的技术领域，公开了一种旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置。放电发生在旋流气柱的气液界面，包括形成气柱的旋流器，与气柱相匹配的电极、高压电源、向旋流器提供与气相介质混合的待处理液的气液混合泵、空压机和水槽。与气相介质混合的待处理液被提升到一定流速进入旋流器，在离心力的作用下产生气柱，放电电极通上高压电源后，在气液界面和电极外表面之间的短距离空心圆柱内产生高强电场，位于高强电场内的气相介质被激发、发生环状辉光放电现象，产生等离子，耗能可低至5～15W。所提供装置的功能相当于把臭氧氧化工艺中的臭氧发生部分直接置于待处理液中，具有处理量大、耗能小、结构简单、易推广的优势。

Description

一种旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置

技术领域

本实用新型涉及一种等离子反应装置，特别涉及一种旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置。

背景技术

工业废水成分复杂、污染物种类多，其中的一些污染物用常规方法处理时难以有效的降解；有些即便可以降解，也会存在降解和脱色不彻底，降解耗时较长等问题。因此，降解效果好、处理效率高、与环境兼容性强的等离子水处理技术受到人们的广泛关注。等离子技术在常温常压下，高压放电直接或间接通过高能电子轰击、多种氧化性物种(如自由基、臭氧、过氧化氢等)氧化、紫外线光解、电场等的综合作用，从而有效降解多种难以通过生化手段降解的污染物。

现阶段用于工业领域和科学研究的等离子水处理发生装置种类繁多，其中大多采用气相放电产生等离子体，之后将以臭氧为主的放电产物输送到水中的方法。例如，国内申请号200720185381.0中公开的“一种自冷却介质阻挡放电臭氧水处理装置”中提出，气源的气体进入介质阻挡放电臭氧发生器后产生臭氧，产生的臭氧通过微孔曝气头进入被处理液对其中的污染物进行处理。放电发生在液相外的气相介质中，由此生成的放电产物需通过气流运输(或扩散)作用于液体。但是，由于放电产物中除臭氧外的大部分活性物种寿命很短(例如，起重要作用的羟基自由基寿命小于10-4秒)，在气流运输过程中损失较大，其作用难以得到充分的发挥，最后输运到液体中的有效成分仍以臭氧为主，对处理效果造成影响。

以“气泡放电等离子体”为基础的多种生产及应用技术的研究开发有效的克服上述不足，使气泡放电在液体内部产生，随着气泡破裂，放电产生的有效成分能够及时与待处理液接触，有效的避免活性集团在输运过程中的损失。气泡伴随较强的放电流光产生，融合了高能电子轰击、强氧化性物种氧化、紫外线光解等作用机制，对污染物的降解效果明显优于臭氧的单独作用。气泡型气液混合两相放电主要在气泡内发生，所需要的电压更低，放电所需输入的功率更小；同时，鼓入的气泡还起到了机械搅拌作用，有利于传质过程进行。国内申请号201010141876.X“一种大体积液相高压脉冲放电水处理器”、申请号201010138086.6“高压脉冲放电等离子体水处理装置及方法”、申请号201120213976.9“一种用于高压放电等离子体水处理的设备”等都对该技术进行了描述。

国内申请号201010235060.3中公开的“低温等离子体与空气氧化相结合的水处理装置”中提出一种方法：电极通过放电产生自由基、臭氧及紫外光在水中引发有氧参与的链式反应；采用位于反应器底部的氧化装置在反应器内形成气泡，用以提高氧与水的传质。在等离子体作用下强化水与污染物的氧化反应，达到净化目的。然而在应用过程中，主要是在放电电极的尖端与接地电解之间产生电晕放电，其处理区域相对有限；另外该装置的结构特点使其在脉冲放电发生过程中易受到被处理液电导率的影响；同时该方法对功率源的参数体处理较高的要求。国内申请号201210134820.0公开的“常压液膜式气泡放电等离子体反应装置”中提出一种方法：待处理液在介质层表面形成液膜，工作气体由介质层表面布满的空隙进入液膜，形成的大量气泡在高压电源的作用下产生气液两相混合放电，产生等离子用于污染物的氧化降解。然而布满空隙的介质层表面、金属功率电极、液膜的形成等对反应装置结构要求比较复杂；其次待处理液经过深度大、接触面广的分布，压损也不会低；最后，气液混合放电装置水处理不大，也很难快速在工业应用中得到推广。专利描述的各种方法对“气泡放电等离子体”进行了多种优化，同时也带来了新的问题。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述技术问题，提供了一种旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，该装置在旋流气柱的气液界面放电产生低温等离子，将气相介质放电置于水中，直接融合高能电子轰击、强氧化性物种氧化、紫外线光解等作用机制对待处理液进行氧化降解，因而降解效果好、处理效率高。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，包括水槽、空压机和旋流器，旋流器上插有放电电极，水槽内设有插有电极的旋流器，水槽下端出水口与气液混合泵的入口相连，气液混合泵的出口与插有电极的旋流器下端的进水口相连，形成一循环回路，空压机经玻璃转子流量计后连接到气液混合泵的入口，插有电极的旋流器的电极与高压电源相连。

空压机和气液混合泵分别与控制柜相连。

空压机与玻璃转子流量计之间设置有针阀和压力表。

水槽下端出水口处的管路上设置有球阀。

所述的旋流器底端为进水口，气液混合体进入旋流器内部，将旋流器内部分成轴心处的空心圆柱空间和待处理液空间，空心圆柱空间与待处理液空间的交界处形成气柱的气液界面，旋流器顶部的空心圆柱空间中插入有放电电极，旋流器底部为轴向出水口。

所述的放电电极的外形尺寸与空心圆柱空间相匹配。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型通过设置形成气柱的旋流器，与气柱相匹配的电极和高压电源，当待处理液与气相介质混合且高速进入旋流器时，由于气液不相溶在离心力的作用下密度大的待处理液被甩在旋流器内壁，气相介质留在旋流器中间产生气柱，在适当流速、气液混合比等工艺条件下形成界面清晰，形状稳定的气柱，由于该气柱在离心力的作用下产生，反应器内不需要专门产生放电空间的结构，使得装置结构简单容易加工，且该装置使放电发生在旋流气柱的气液界面，降解效果好、处理效率高。同时，所述的高速进入旋流器的流体，在旋流器内也是高速流动的，在水里气相介质放电产生的等离子体与气柱气液界面接触参加氧化降解反应的也是不同的待处理液。无需考虑气相介质在待处理液中的的扩散问题。离心力产生气柱，在气液界面发生快速反应；改变流体状态，气液界面消失，在气相介质与待处理液产生紊流，等离子寿命较长活性物质可与待处理液继续反应。

本实用新型取代液相外气相介质放电产生等离子去氧化降解难以通过生化手段降解的污染物。所述装置实现液相内气相介质放电产生等离子直接氧化降解污染物，与现在工业中O3及其相关复合氧化工艺相比，该装置多了高能电子轰击、强氧化性物种氧化、紫外线光解等作用机制，对电能得到了充分的应用。该装置在水中直接和污染物接触，使得寿命较短·OH自由基为主的强氧化物种在反应中存在(·OH自由基氧化还原电位仅次于氟，而高于臭氧)，使得工艺对污染物的降解范围扩大。所述装置待处理液经过旋流器产生的界面清晰、形态稳定气柱，水流量大、反应器内停留时间短、水箱内停留时间可调，符合等离子体多种作用机制氧化降解水中的杂质的时间要求。所述装置和有关“气泡放电等离子体”、“气液混合放电等离子体”所描述的技术相比结构更为简单、耗能更小、处理水量也要大。

同时，所述与气柱相匹配的电极与气柱形成的空心圆柱空间相匹配，使其与另一电极(气液界面)之间存在足够小的距离产生较强的电场，形成环状辉光放电而不至于该电极直接进入待处理液改变了放电介质。换句话说，与气柱相匹配的电极与另一电极(气液界面)距离越小，越容易产生达到放电要求的超强电场；当其距离为0时，放电介质变成比气相介质介电常数大很多的液相介质，一般电源很少提供这么大的电压跨度；与气柱相匹配的电极与另一电极(气液界面)距离越大，产生达到放电要求超强电场所需的电压越高，电源一定时即不能发生放电现象产生等离子体，提高电源电压可以重新达到放电所要求的电场强度，受激发的气相粒子数也增加。制作的电极在装置运行时必须在气相介质中，而又不能使气相介质空间过大，电场具有的能量不足以使气相介质受激发。所述与气柱相匹配的高压电源即电极通电后产生的电场可以满足旋流气柱内气相介质受激发放电要求。

该装置运行中电极处于气相介质中，放电耗能小，能耗最低可达到5W。此外，电极只在开启、关机或装置没有正常运行时在待处理液中，电极的腐蚀问题也不用做过多考虑。

该装置中使用的高压电源，直流电源可以放电，交流电源也很容易达到放电要求，很容易在工业生产中得到推广。

本装置放电电极在高压电源作用下产生高强电场，位于气液界面和放电电极外表面之间空心圆柱内的气相介质被激发、发生环状辉光放电现象，耗能可低至5～15W。本所提供装置相当于把臭氧氧化工艺中的臭氧发生部分直接置于待处理液中，具有处理量大、耗能小、结构简单、易于在工业生产中推广优势。

附图说明

图1为实用新型旋流气柱的气液界面等离子体反应装置的结构示意图；

图2为气液混合管路图；

图3为轴向出水放电结构图；

图4为切向出水放电结构图。

图中：101.高压电源，102.水槽，103气液混合泵，104空压机，105.插有电极的旋流器，106.玻璃转子流量计；201.球阀，103.气液混合泵，203.压力表，104.空压机，205.针阀；206压力表，106玻璃转子流量计；301.进水口，302.旋流器，303.环状电弧，304.放电电极，305.空心圆柱空间，306.气柱的气液界面，307.待处理液，308.轴向出水口；401切向水入口，408.切向出水口。

具体实施方式

下面结合具体的实例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参见图1至图4，一种旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，包括水槽102、空压机104和旋流器105，旋流器105上插有放电电极304，水槽102内设有插有电极的旋流器105，水槽102下端出水口经球阀201后与气液混合泵103的入口相连，气液混合泵103的出口与插有电极的旋流器105下端的进水口301相连，形成一循环回路，空压机104经针阀205、压力表206、玻璃转子流量计106后连接到气液混合泵103的入口，插有电极的旋流器105的电极与高压电源101相连，空压机104和气液混合泵103分别于控制柜相连。

其中，参见图3，所述的旋流器105底端为进水口301，气液混合体进入旋流器105内部，将旋流器105内部分成轴心处的空心圆柱空间305和待处理液307空间，空心圆柱空间305与待处理液307空间的交界处形成气柱的气液界面306，旋流器105顶部的空心圆柱空间305中插入有放电电极304，旋流器105底部为轴向出水口308，所述的放电电极304的外形尺寸与空心圆柱空间305相匹配。

具体的，图1给出了本旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置的一种结构示意图。如图1所示，本装置包括101.高压电源，102.水槽，103气液混合泵，104.空压机，105.插有电极的旋流器，106.玻璃转子流量计和电控柜。

图2给出了该装置所需的气液混合系统的管路连接图，装置所述的旋流器里的水里产生气柱，须有气液混合系统，还须有提供高速流体的泵体。流体经过球阀201调节被泵提升到一定流速，达到旋流产生空气柱的能力。104空压机提供具有稳定压力的气流经过106玻璃转子流量计调节适量的进入旋流器供水管路。以一定的气液体积流量比被103气液混合泵充分混合进入旋流器内，泵口出水压力在4bar以上。104空压机前有205针阀和206压力表保证所供气流玻璃转子流量计106可调，而不超过调节范围，其中，所述的气液混合泵103的出水口的管路上还连接有压力表203。

图3给出了轴向出水放电产生等离子的内部结构图，该放电发生在图1的105插有电极的旋流器，装置提供的由待处理液与气相介质混合且高速进入旋流器的高速流体从进水口301进入旋流器302，由于气液不相溶在离心的作用下密度大的待处理液307被甩在旋流器内壁，气相介质留在旋流器中间产生空气柱，在适当流速、气液混合比等工艺条件下形成界面清晰，形状稳定的空气柱。空气柱形成空心圆柱空间305，空气柱与待处理液307的接触处形成气柱的气液界面306，相匹配的304放电电极在高压电源101的作用下产生高强电场。当该电场存在气相介质时，在很小的电压下就产生了辉光放电，形成环状电弧303，产生等离子直接与水中污染物作用，达到降解污染物的目的。该装置做好密封、绝缘后，可以从轴向出水口308直接进入水体，不让多余臭氧溢出。该装置既可以使待处理液循环经过旋流器达到污染物完全降解，又可以在水箱内安装多个装置进行同时降解，提高氧化降解能力。

图4给出了切向出水放电产生等离子的内部结构图，该放电发生和图3原理相同。进水在旋流器切向水入口401、出水在旋流器切向出水口408，既可以使电极两端固定，又增加放电电极长度，同时也增强了等离子产生的能力，此放电结构可以做成封闭空间和工艺连接，一个个多个串联并联都不受影响。

需要说明的是，所述与气柱相匹配的电极在制作过程中须按照旋流气柱的情况确定电极的外形尺寸，保证相匹配电极能够与气液界面形成合适空间发生稳定放电，使其与气液界面形成的空间刚好能放电而不至于电极直接进入待处理液发生电解而不会放电。换句话说，气相介质空间过小，电场使待处理受激发难度太大；气相介质空间过大，电场使气相介质受激发需要能量也有要求。制作的电极在装置运行时必须在气相介质中，而又不能使气相介质空间过大，电场具有的能量不足以使气相介质受激发。所述与气柱相匹配的高压电源即电源供给电极后产生的电场可以满足旋流气柱内气相介质受激发放电电场强度的要求。

所述与气柱相匹配的电极阴极材料不做过多要求，导电性能良好、不易损坏、价格低廉即可；阳极电极需要导电性能好，不易损耗。该装置运行中电极处于气相介质中，放电耗能小，能耗最低可达到5W。此外，电极只在开启、关机或装置没有正常运行时在待处理液中，电极的腐蚀问题也不用做过多考虑。

进一步地，所述高压电源，直流电源可以放电，交流电源也很容易达到放电要求，很容易在工业生产中得到推广。

本装置的放电发生在液相内的气相介质中，待处理液在旋流器离心作用下产生气柱，气柱内气相介质在高强电场存在下被激发、产生等离子体，直接与反应器中的待处理液作用，寿命较长的强氧化物种(例如O3)随水流进入水体，进一步氧化降解水中的污染物。

本装置高速进入旋流器的气液混合流体在离心力作用下必须产生界面清晰、形状稳定的气柱，那么进入气液混合部分的气流必须稳压、稳流，且进入旋流器的流体必须具有离心分离的流速。

本实用新型所述与气相介质混合的待处理液被提升到一定流速进入旋流器，在离心力的作用下产生气柱，反应器内不需要专门产生放电空间的结构，使得装置结构简单容易加工。

本实用新型所述高速进入旋流器的流体，在旋流器内也是高速流动的，在水里气相介质放电产生的等离子体与气柱气液界面接触参加氧化降解反应的也是不同的待处理液。无需考虑气相介质在待处理液中的的扩散问题。离心力产生气柱，在气液界面发生快速反应；改变流体状态，气液界面消失，在气相介质与待处理液产生紊流，等离子寿命较长活性物质可与待处理液继续反应。

本实用新型取代液相外气相介质放电产生等离子去氧化降解难以通过生化手段降解的污染物。所述装置实现液相内气相介质放电产生等离子直接氧化降解污染物，与现在工业中O3及其相关复合氧化工艺相比，该装置多了高能电子轰击、强氧化性物种氧化、紫外线光解等作用机制，对电能得到了充分的应用。该装置在水中直接和污染物接触，使得寿命较短·OH自由基为主的强氧化物种在反应中存在(·OH自由基氧化还原电位仅次于氟，而高于臭氧)，使得工艺对污染物的降解范围扩大。所述装置待处理液经过旋流器产生的界面清晰、形态稳定气柱，水流量大、反应器内停留时间短、水箱内停留时间可调，符合等离子体多种作用机制氧化降解水中的杂质的时间要求。所述装置和有关“气泡放电等离子体”、“气液混合放电等离子体”所描述的技术相比结构更为简单、耗能更小、处理水量也要大。

本实用新型与气相介质混合的待处理液被提升到一定流速进入旋流器，在离心力的作用下产生气柱，放电电极通上高压电源后，在气液界面和电极外表面之间的短距离空心圆柱内产生高强电场，位于高强电场内的气相介质被激发、发生环状辉光放电现象，产生等离子，耗能可低至5～15W。所提供装置的功能相当于把臭氧氧化工艺中的臭氧发生部分直接置于待处理液中，具有处理量大、耗能小、结构简单、易于在工业生产中推广优势。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，其特征在于，包括水槽(102)、空压机(104)和旋流器(105)，旋流器(105)上插有放电电极(304)，水槽(102)内设有插有电极的旋流器(105)，水槽(102)下端出水口与气液混合泵(103)的入口相连，气液混合泵(103)的出口与插有电极的旋流器(105)下端的进水口(301)相连，形成一循环回路，空压机(104)经玻璃转子流量计(106)后连接到气液混合泵(103)的入口，插有电极的旋流器(105)的电极与高压电源(101)相连。

2.根据权利要求1所述的旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，其特征在于，空压机(104)和气液混合泵(103)分别与控制柜相连。

3.根据权利要求1所述的旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，其特征在于，空压机(104)与玻璃转子流量计(106)之间设置有针阀(205)和压力表(206)。

4.根据权利要求1或3的旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，其特征在于，水槽(102)下端出水口处的管路上设置有球阀(201)。

5.根据权利要求1所述的旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，其特征在于，所述的旋流器(105)底端为进水口(301)，气液混合体进入旋流器(105)内部，将旋流器(105)内部分成轴心处的空心圆柱空间(305)和待处理液(307)空间，空心圆柱空间(305)与待处理液(307)空间的交界处形成气柱的气液界面(306)，旋流器(105)顶部的空心圆柱空间(305)中插入有放电电极(304)，旋流器(105)底部为轴向出水口(308)。

6.根据权利要求1所述的旋流气柱的气液界面放电等离子反应装置，其特征在于，所述的放电电极(304)的外形尺寸与空心圆柱空间(305)相匹配。