CN2832800Y - 针－板式脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装置 - Google Patents

Abstract

针－板式脉冲放电等离子体诱导半导体处理有机废水装置属于环境污染治理技术领域。本实用新型是根据电晕流光放电原理，采用形成强不均匀电场的针－板式电极结构，窄脉冲高压电源供电，在水中形成脉冲电晕流光放电，应用放电产生的流光和火花作为光源，诱导电场中半导体催化剂的光催化活性，也应用电场阻止电子－空穴复合和脉冲放电等离子体等的协同效应，在水体中产生多的强氧化性基团，达到降解废水中溶解有机物的目的。本实用新型具有原理简单、有机物降解效果好的优点。适用于难生化降解有机废水的处理，也能够用来处理有机废气。

Description

针-板式脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装置

技术领域

本实用新型属于环境污染治理技术领域。

背景技术

随着工业的飞速发展，世界人口的增加，对淡水的需求量正在迅猛的增加，由此带来工业污水和生活污水量的增加。这些污水中含有大量的有机物和重金属，如不加处理直接排放，将给环境带来严重污染，影响到人类的生存和工农业的可持续开展。目前，常用的废水处理是生化法，并有一些物理化学方法相补充，如电解法、气浮法、吸收法等。但是，这些方法对处理难生化降解有机物废水的效果还不能达到处理要求。因此必须研究开发新的水污染控制技术，如半导体光催化技术和脉冲放电等离子体技术等。

半导体光催化降解水中难生化有机物是目前国内外热门的研究课题，进行了比较广泛和深入的研究，并取得了一些研究结果。其原理是当能量大于禁带宽度的光照射半导体时，其满带上的电子(e^-)被激发，跃迁禁带进入导带，同时在满带上产生相应的空穴(h⁺)。若半导体此时处于溶液中，则在电场的作用下电子与空穴分离并迁移到粒子表面的不同位置。光生空穴有很强的得电子能力，可夺取半导体颗粒表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收入射光的物质被活化氧化，而电子受体则可以通过接受表面上的电子而被还原。水溶液中的光催化氧化反应，在半导体表面失去电子的主要是水分子，水分子经变化后生成氧化能力极强的羟基自由基OH，由其与有机物反应。由于电子和空穴在到达催化剂界面之前，要发生复合，降低了电子和空穴与希望反应物的化学反应，即降低了光催化剂效果。所以，为了抑制电子和空穴的复合，需要向溶液中加入俘获剂，或增加一个外加电场，来保证半导体光催化效果。

目前，脉冲放电等离子体技术在水处理方面得到了广泛研究。其原理是利用脉冲放电等离子体产生的高能电子，撞击水分子和水体中溶解的气体分子，发生电离和激发，产生氧化性强的活性基和臭氧，来氧化水体中溶解的有机物。但是，脉冲放电等离子体在产生高能电子过程中，伴随着流光和火花的产生。而放电产生的流光和火花在废水处理中具体作用，以及利用产生光进一步引起其他效应在废水处理中作用的研究也没有见到相关报道。

发明内容

本实用新型的目的就是提供一种将半导体光催化和脉冲放电等离子体技术在水处理中的优点结合起来的针-板式脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装置。

本实用新型的原理是利用脉冲放电产生的流光和火花作为光源来诱导半导体催化剂的活性，产生活性物种，氧化分解水体中存在的难生化降解的有机物，生成无机物，或是生成易可生化降解的有机物，实现降解水中难生化有机物的目的。

放电流光和火花直接作用在半导体催化剂上，光源的效率高；放电流光和火花的频谱主要分布在紫外区，是半导体催化剂的灵敏区域；脉冲放电的电场可以阻止电子-空穴复合，节省向光催化反应器投加俘获剂的过程；放电电场可以加速价带上和导带上的电子，使更多的价带上的电子跃迁到导带上，增加电子-空穴对的产生数量；放电等离子体在水体中可以产生如OH^*、O₃等强氧化性的活性基和物种，产生协同作用，达到提高降解废水中溶解有机物效果的目的。同时，应用本实用新型可以处理气体中的有机气体。

一种脉冲放电等离子体诱导半导体光催化处理有机废水的方法，脉冲高压电源5输出高压，施加在放电电极1和低压电极2之间，调整放电电极1和低压电极2之间距离、电源5输出脉冲电压峰值，使放电电极1和低压电极2之间的电场强度达到±5100kV/cm范围时，在电极1、电极2之间形成放电等离子体，产生流光放电、火花放电；脉冲放电产生的流光、火花作为光源，诱导半导体催化剂3活性，产生氧化性基团，氧化有机物，半导体催化剂为金属氧化物，如二氧化钛。

半导体催化剂附着在电极表面上。

半导体催化剂附着在载体上。

半导体催化剂是粉体。

半导体催化剂中掺有金属离子。

本实用新型的技术解决方案是，一种针-板式脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装置，由放电等离子体反应器4、脉冲高压电源5和水循环系统构成，反应器4由放电电极1、低压电极2构成，水循环系统由水槽7、水泵10和管道12构成，脉冲高压电源5用电源引线9与放电电极1、低压电极2连接，气泵6与反应器4内的曝气头8连接。

放电电极1、低压电极2为针-板式，针型的放电电极1为实心的或空心的针尖、实心的或空心的金属棒或金属管，针型的放电电极1安置在基盘13上，基盘13是表面光滑的金属平板，板型的低压电极2是光滑的金属平板，针型的放电电极1和板型的低压电极2的间距为0.5-10cm。

针-板式电极结构。放电电极是曲率半径小的金属针、棒或针管，针、棒、和管是安装在一个电极结构相匹配的基盘上，基盘是金属的。低压电极是接地的金属板，放电电极垂直

于低压电极。基盘根据放电电极类型确定，放电电极针1是曲率半径0.1-10mm的实心金属棒，在基盘13上均匀的分布孔，曝气的气体通过基盘13上的孔进入反应器4内部；放电电极针1是曲率半径0.1-10mm的空心金属管，曝气的气体通过放电电极针1进入反应器4内部。

放电电极是针管时，在基盘13上没有孔。

在电极制作过程中，将半导体催化剂附着在电极表面，制作成具有光催化功能的电极形态，更好的发挥光催化作用和提高光的利用效率。

半导体催化剂：半导体催化剂可以制备成粉体、付着在载体上，和放电电极的表面上，要求是对200-400nm光响应效果好的催化剂单体，或惨杂一些金属离子，使放电产生的其它区域的光也能够发挥作用，使催化剂具有高效和广普性。

曝气系统：在反应器底部安装曝气头，使气液均匀的分布于反应器中，实现气、液、固三相存在的优化放电等离子体状态。气泵提供恒压稳定的气体。

催化剂附着在颗粒性载体上，构成床式结构反应器，或附着电极表面的反应器，用来脱除气体中的有机废气，净化室内空气和化工厂排出的废气。

脉冲高压电源：由于脉冲放电形成的等离子体是属于低温非平衡等离子体，即等离子体中电子平均温度为5-20ev，离子温度低。而等离子体的整体温度很低，接近室温。因此，脉冲放电原理的反应器要求电源产生的电压必须是纳秒级窄脉冲高压电源，即电压的示波器图形是电压上升时间是10^-7秒数量级，脉冲宽度是10^-6秒数量级的单极性或双极性的波形。

水循环系统：包括水泵和管路等，将反应器、废水单元和排水单元连接在一起。被处理的有机废水或有机废气从反应器上端或反应器下端进入反应器内部，从反应器下端或反应器上端流出反应器。有机废水连续地通过反应器，也可以间歇的通过反应器。采用连续式时，废水是通过水泵进行循环处理，直至达到处理要求，再外排。而采用间歇式情况，废水通过水泵注入反应器进行处理，达到处理要求后外排。

另外，为了使反应器保持恒温，可以在反应器外侧增加一套冷却装置。并且，配备一些附属设施，如阀门、储水箱等。

通过放电的流光和火花诱导半导体催化剂活性，产生活性基团，氧化废水中难生化处理的有机物，并且，发挥电场阻止电子与空穴复合，和等离子体降解有机物的协同效果，使这些有机物转化成水、二氧化碳、无机盐等。或生成可生化处理的有机物，再经过生化等方法进行处理，最终矿化为水、二氧化碳、无机盐等。还能够直接对有机废水进行处理。也可以和其它方法结合，作为中间或深度处理的工艺过程。

本实用新型的有益效果和益处是，采用脉冲放电产生的流光和火花作为光源，直接和催化剂作用，光源效率高，并发挥电场和等离子体等优势作用，对废水处理效率高，尤其是对含有难生化或持久性有机物的废水和印染废水处理效果好。并且，利用本方法可以处理气体中的有机废气。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的工艺流程示意图。

图2是本实用新型的脉冲放电电极结构的针-板式结构示意图。

图3是本实用新型的脉冲放电电极结构的针管-板式结构示意图。

图中，1.放电电极，2.低压电极，3.催化剂，4.反应器，5.高压电源，6.气泵，7.水槽，8.曝气头，9.电源引线，10.水泵，11.有机废水，12.管道，13.基盘。

具体实施方式

下面结合附图本对发明作进一步的说明。

在密闭的反应器4中安装放电电极1、低压电极2、催化剂3和曝气头8，通过电源引线9将高压电源5输出电压引入到放电电极1和低压电极2上，通过水泵10在反应器4内部充装一定量的有机染料废水，通过气泵6和曝气头8对有机染料废水进行曝气，催化剂3是以粉体或附着在载体和电极表面的形态存在于反应器4中，这样，在反应器4内部形成气、液、固三相混合状态。在反应器4内部的气、液、固三相混合条件下，当高压电源5输出高压，通过调整放电电极1和低压电极2的间距和高压电源5输出电压峰值，使反应器4的放电电极1和低压电极2的电场强度达到5-100kV/cm范围时，在放电电极1和低压电极2之间形成放电等离子体，产生流光放电或火花放电，利用放电流光和火花作为光源，诱导反应器4内部或放电电极1和低压电极2表面的半导体催化剂的活性，产生强氧化性自由基团，并且，在电场和放电等离子体协同作用，降解废水中的有机物。根据采用放电电极1和低压电极2形式的不同，进行替换流程图中的电极结构。

放电电极1和低压电极2为针-板式，针型的放电电极1用实心的针尖。将针型的放电电极1安置在基盘13上，基盘13是表面光滑的金属平板。板型的低压电极2是光滑的金属平板。针型的放电电极1和板型的低压电极2的间距为5cm。

将粉体催化剂3附着在电极表面1和2上。同时，选择一些金属离子，如银、铁、铅、钯等离子，掺杂在催化剂3里，对催化剂3进行改性，使放电产生的可见光也发挥催化作用。

脉冲高压电源5要求电压波形的电压上升时间在50-200纳秒范围内，脉冲电压宽度在100-5000ns范围内。将此高压电源5的高压输出端连接到反应器4的放电电极1上；另一端和反应器4的低压电极2连接，并一起接地。

曝气头8：通过气泵6经过气路，按照一定气液比例，通向反应器4底部的曝气头8，在反应器4内部形成气、液、固三相混合状态。

在本实用新型的实施例中，结构和运行参数如下：

针型的放电电极1和板型的低压电极2放置在由圆筒型有机玻璃加工成的反应器4之中，有机玻璃筒的内径为80mm，外径为100mm，针型的放电电极1是锥角30度的不锈钢针，数目是7个，板型的低压电极2是直径60mm的不锈钢圆盘，电极1和2的间距是20mm。同时，在板型的低压电极2和基盘13开有均匀分布的直径为3mm的园孔，用于通气。高压电源产生上升时间小于50ns，脉冲宽度小于500ns的电压波形，电压峰值为-50kV？50kV范围内可调，脉冲频率在0-300HZ范围内可调。催化剂3是二氧化钛粉体，平均粒径为20nm，成份是75％的锐钛，25％的金红石。曝气头采用普通式的金刚砂石，加工成圆柱型。

处理条件是反应器4处理水量为800mL，处理时间为2h，曝气量为0.75m³/h，二氧化钛催化剂3投加量为1g/L，酸性橙染料废水的初始浓度为20mg/L，电导率是40μS/cm，pH值为3.4，脉冲电压峰值27.5kV，功率为50W。

处理结果：

在催化剂投加的条件下，单独曝气，不加脉冲电压，酸性橙降解效果为2.8％；在催化剂不投加的条件下，曝气，加脉冲电压，酸性橙降解效果为61％；催化剂投加，曝气，加脉冲电压，酸性橙的降解效果达到93％，比单独加电的效果提高30％以上。

Claims (4)

1.针-板式脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装置，其特征在于，由放电等离子体反应器(4)、脉冲高压电源(5)和水循环系统构成，反应器(4)内设置有放电电极(1)、低压电极(2)，半导体催化剂(3)置于反应器(4)里，水循环系统由水槽(7)、水泵(10)和管道(12)构成，形成连续式或间歇式，脉冲高压电源(5)用电源引线(9)与放电电极(1)、低压电极(2)连接，气泵(6)与反应器(4)内的曝气头(8)连接。

2.根据权利要求1所述的针-板式脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装置，其特征在于，放电电极(1)、低压电极(2)为针-板式，针型的放电电极(1)安置在基盘(13)上，基盘(13)是表面光滑的金属平板，板型的低压电极(2)是光滑的金属平板，针型的放电电极(1)和板型的低压电极(2)的间距为0.5~10cm。

3.根据权利要求1或2所述的针-板式脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装置，其特征在于，放电电极针(1)是曲率半径0.1~10mm的实心金属棒，在基盘(13)上均匀的分布孔，曝气的气体通过基盘(13)上的孔进入反应器(4)内部。

4.根据权利要求1或2所述的针-板式脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装置，其特征在于，放电电极针(1)是曲率半径0.1~10mm的空心金属管，曝气的气体通过放电电极针(1)进入反应器(4)内部。

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