一種增強型毛細管針放電等離子體水處理裝置的製作方法

2023-04-29 14:31:41 2

專利名稱：一種增強型毛細管針放電等離子體水處理裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於低溫等離子體的應用技術領域，涉及一種可用於水處理的常壓等離子體放電反應裝置。
背景技術：
水資源作為人類生存的基本需求，因為其稀缺性和在生產生活中無可替代的地位必須得到高度重視及切實保護。隨著中國工業化和城市化進程加速，對淡水的用量日趨增力口，而與此同時，工業汙水及生活汙水排放量也在逐年遞增，導致水資源需求更加緊迫。由於汙水，尤其是工業廢水成分複雜、汙染物種類繁多，其中的一些有機物用常規方法處理時難以有效降解，有些即便可以降解，也會存在降解和脫色不徹底，降解耗時較長等問題。因 此，研發新的有效的汙水處理方法，提高汙水處理效率具有重要意義。近年來，等離子體科學與技術研究的不斷深入促進了等離子體技術在水處理領域的蓬勃發展。眾多研究結果表明，放電等離子體技術可以有效地去除水溶液中難以通過生化手段降解的有機物，具有與環境兼容性強、降解效果好、處理效率高、適用性廣等顯著特點。其特徵在於利用以自由基為核心的強氧化劑，通過高能電子轟擊、多種強氧化性活性粒子(如自由基、臭氧、過氧化氫等)氧化、紫外輻射、電場作用、高壓激波等作用，快速、無選擇性、徹底氧化汙水中各種有機汙染物。由於該技術兼備溼式氧化技術、光催化氧化、電化學催化降解和超臨界水氧化法等優點，因此在處理難降解有機汙染物方面具有獨特的技術優勢，被認為是一種具有良好發展前景的廢水高級氧化技術。現階段可用於水處理應用的等離子體發生裝置種類繁多，其中最為常見的類型之一是通過在液面以上的氣體環境中產生等離子體，之後將放電產物通過氣流輸運(或通過擴散作用)注入到水中(如國內申請號200910097878. O中公開的「同時對纖維絲改性和汙水處理的室溫等離子體炬陣列裝置」)。但是，一方面，由於輸運路徑較長，而放電產物中除臭氧外的大部分活性物種壽命很短(例如，起重要作用的OH自由基壽命小於10_4秒)，因此放電產物中的活性成分在輸運過程中損失較大，其作用難以得到充分發揮，最後輸運到液體中的有效成分仍以臭氧為主，對處理效果造成一定影響；另一方面，即便可以縮短輸運路徑，放電產物可以通過擴散作用及時作用於水溶液表面(如國內申請號200720013297. O中公開的「一種電暈放電等離子體水處理裝置」，以及國內申請號200880019551. 5中公開的「水下等離子體處理設備和利用其處理船隻壓倉水的系統和方法」)，但仍存在放電產物作用深度有限的問題，因此該類型等離子體發生裝置通常僅適用於待處理液液量較少或液體厚度較薄的情況。為了克服上述不足，較常用的方法是使得放電直接在水溶液中發生。當液相介質處於強電場時，會出現解離和碰撞電離現象，形成從高壓電極向外延伸的高溫高壓等離子體通道(流光或火花通道)，並產生大量活性成分，如離子(H+、H30+、O+、H—、0_、0H—)、自由基(·0Η、·Η、·0、Η02)、分子(Η202、Η2、02、03)和光子、電子等。然而此類裝置多採用裸露電極，受水溶液腐蝕嚴重，且在放電過程中易受到被處理溶液的電導率等因素影響；同時，上述放電對功率源的參數要求較高，多須採用高壓脈衝功率源進行激勵，而可工業化應用的脈衝高壓電源技術難度較大，導致製造成本高。在此基礎上，為了進一步提高氧化性物種濃度，同時加強傳質過程，並在一定程度上降低對高壓電源的參數要求，可在水溶液中鼓入氣體，使得在局部氣相環境中及氣液交界面處產生放電，放電產生的有效成分能夠及時與水溶液接觸，有效避免活性基團在輸運過程中的損失，同時亦克服了放電產物作用深度有限的問題。國內申請號201010235060. 3中公開的「低溫等離子體與空氣氧化相結合的水處理裝置」中提出一種方法液體中的裸電極通過放電產生自由基、臭氧及紫外光在水中引發有氧參與的鏈反應，並通過反應容器底部的氣泡形成裝置提高氧與水的傳質，強化處理效果，達到淨化目的。然而在應用過程中，該裝置的結構特點(採用裸露電極)使其易受到水溶液腐蝕，且在放電過程中會受到被處理溶液的電導率影響。另外，該方法對功率源的參數也提出了較高要求。國內申請號200880019551. 5中公開的「水下等離子體處理設備和利用其處理船隻壓倉水的系統和方法」中提出的方法包括通過高壓脈衝功率源向含有氣泡的水施加電·壓，通過產生放電等離子體除去移動船隻壓艙水中的各種微生物。然而在脈衝放電發生過程中，電極易被溶液腐蝕，且易受到被處理液的電導率、氣液混合程度等因素影響。文獻《IEEE TRANSACTIONS O N PLASMA SCIENCE》VOL.34,2464(2006) ^Generationof Needle Injection Plasma at AtmosphericPressure」中提出一種毛細管針電極大氣壓冷等離子體發生源，該裝置的主體結構為一根內徑僅幾毫米的注射器針頭，其外層套有石英管或聚四氟乙烯管，且下遊管口開放。其中注射器針頭作為功率電極，在應用過程中，必須採用價格昂貴的惰性氣體(如氬氣或者氦氣)作為工作氣體，在功率源的激勵下，介質管內產生大量等離子體，通過氣流及電場作用，放電區等離子體被噴射出管外形成射流，肉眼觀測為圓錐形光柱，主要用於材料表面(包括生物體表面)消洗及介質管內壁清潔；在一定條件下，也可在液體氛圍下工作，然而水溶液容易侵入玻璃管內部對放電穩定性造成幹擾，此外其放電強度仍需進一步提高。

發明內容
本發明的目的是提供一種可用於水處理的增強型毛細管針放電等離子體反應裝置。通過在水溶液內部形成放電等離子體，使得產生的有效成分(如電子、多種強氧化性活性粒子、紫外線、電場等)直接作用於水溶液內部，對其中難以生化降解的有機汙染物進行有效降解。本發明的特徵在於，含有反應容器、增強型毛細管針放電等離子體發生器，其中反應容器，採用絕緣材料製成，內盛待處理水，所述待處理水與高壓電源低壓端相連，兩者共同接地；增強型毛細管針放電等離子體發生器，置於所述反應容器內，由中空金屬毛細管、絕緣介質管、金屬端蓋與氣室組成，其中中空金屬毛細管，內徑在O. 3mnT3mm之間，且下端管口呈針狀，上端管口外側通過金屬導線與頻率為5kHz 100kHz，電壓為IkV 30kV的高壓電源高壓端相連，作為功率電極用；
絕緣介質管，同軸緊密地套在所述中空金屬毛細管外，下端管口是開放的，低於所述中空金屬毛細管下端的針狀管口 3mnTlO_ ；金屬 端蓋，上端是開放的，下底面的中央有一個位置正對著所述中空金屬毛細管下端針狀管口的小孔，直徑為O. ImnTo. 5mm，所述金屬端蓋同軸緊密地套在所述絕緣介質管下端管口處，作為懸浮電極，起到增強毛細管針放電強度的作用；所述中空金屬毛細管、絕緣介質管和金屬端蓋共同組成增強型毛細管針放電等離子體發生器中的一根基本單元，共有多根，呈陣列狀排列，以起到增強氣體放電等離子體有效成分的作用；氣室，採用絕緣材料製成，上端面開有進氣口，下部與所述陣列式增強型毛細管針放電等離子體發生器相連，所述絕緣介質管與中空金屬毛細管上端面呈開口狀，都與所述氣室密封連接，以便工作氣體通過所述氣室進入上端開口的所述中空金屬管和絕緣介質管內，並使得氣體放電等離子體通過所述金屬端蓋上的小孔進入所述待處理水中，其中的有效成分對所述反應容器內的所述待處理水發生淨化所用。本發明的主要效果和益處體現在(I)發生置置於待處理溶液內部，一方面避免了放電過程中產物作用深度有限的問題，另一方面使得放電產物能夠及時與待處理液接觸，避免了有效成分在輸運過程中的損失，提高活性物質的利用率；(2)避免了溶液對電極的腐蝕，有效延長反應裝置的工作壽命，同時增強了反應裝置對不同待處理液(如電導率、PH值不同)的普適性；(3)通過採用中空金屬毛細管針電極，易於在較低電壓下產生較強電場，可明顯降低等離子體放電產生及維持電壓；(4)通過在絕緣介質管下端管口處附加一個帶有小孔(直徑為O. ImnTO. 5mm)的金屬懸浮電極，一方面可有效避免放電過程中水溶液侵入玻璃管內部對放電穩定性造成的幹擾，同時可進一步增強毛細管針放電等離子體放電強度，形成增強型毛細管針放電等離子體放電；(6)可在常溫常壓下進行水處理，有效去除有機汙染物，具有快速、安全、環保等優點；(7)易於集成，更加符合較大規模工程應用的需求。


圖I是根據本發明一個實施方案，採用增強型毛細管針放電等離子體反應裝置進行水處理的系統圖。圖中，101為用於水處理的增強型毛細管針放電等離子體反應裝置，102為高壓電源(頻率5kHz IOOkHz，電壓IkV 30kV)，103為氣瓶，用於盛裝工作氣體(空氣、氧氣、氬氣、氦氣、氮氣及其混合氣中的一種)，104為流量計，用於控制工作氣體流速。根據處理要求，上述增強型毛細管針放電等離子體放電裝置可以通過採用單個單元，或多個單元並聯操作，對待處理液進行處理，以滿足實際需要。圖2-3是101增強型毛細管針放電等離子體反應裝置的詳細結構圖，其中圖2為增強型毛細管針放電等離子體反應裝置單個基本單元的詳細結構圖，圖3為由多個基本單元組成的陣列式增強型毛細管針放電等離子體反應裝置的詳細結構圖。其中，I是內徑為O. 3mnT3mm且下端管口呈針狀的中空金屬毛細管，與頻率為5kHz^l00kHz,電壓為lkV-30kV的高壓電源高壓端相連，作為功率電極；2是絕緣介質管，同軸緊密地套在所述中空金屬毛細管外；3是金屬端蓋，同軸緊密地套在所述絕緣介質管下端管口處，作為懸浮電極；4是金屬端蓋中央直徑為O. ImnTO. 5mm的小孔；5是地電極，待處理溶液與高壓電源低壓端相連，兩者同時與地電極5相連；6是反應容器，用於盛裝待處理溶液；7是氣室，上端面開有進氣口，下部與所述增強型毛細管針放電等離子體發生器相連，絕緣介質管2和中空金屬毛細管I兩者上端面呈開口狀，均與氣室7密封連接。
具體實施例方式本發明是一種增強型毛細管針放電等離子體水處理裝置，包括反應容器和發生裝置，其中所述反應容器採用絕緣材料製成，內盛有待處理液，待處理液與高壓電源低壓端相連，兩者同時與地電極相連；發生裝置置於反應容器內，含有內徑為O. 3mnT3_且下端管口呈針狀的中空金屬毛細管、絕緣介質管、金屬端蓋和氣室，其中所述中空金屬毛細管上端管口外側通過金屬導線與頻率為5kHz 100kHz，電壓為IkV 30kV的高壓電源高壓端相連，作為功率電極；絕緣介質管同軸緊密地套在所述中空金屬毛細管外，其下端管口是開放的，低於所述中空金屬毛細管下端針狀管口 3mnTl0mm ;所述金屬端蓋上端開放，同軸緊密地套在所述絕緣介質管下端管口處，且端蓋中央有一直徑為O. ImnTO. 5mm的小孔，所述金屬端蓋作為懸浮電極，起到增強毛細管針放電強度的作用；所述中空金屬毛細管、絕緣·介質管和金屬端蓋共同組成增強型毛細管針放電等離子體發生器中的一根基本單元，共有多根，呈陣列狀排列，以起到增強氣體放電等離子體有效成分的作用；氣室採用絕緣材料製成，上端面開有進氣口，下部與所述陣列式增強型毛細管針放電等離子體發生器相連。工作時，工作氣體通過所述氣室進入上端開口的所述中空金屬管和絕緣介質管內，在所述頻率為5kHz 100kHz，電壓為IkV 30kV的高壓電源作用下，在中空金屬毛細管下端針狀管口與金屬端蓋之間的絕緣介質管內產生氣體放電等離子體，生成的產物從所述金屬端蓋上的小孔流出進入待處理溶液，其中的有效成分(高能電子、OH-自由基、臭氧、過氧化氫等、紫外線、電場等)對於在所述絕緣容器內的待處理水發生淨化作用。下面結合說明書附圖，詳細敘述本發明的最佳實施例圖I是根據本發明一個實施方案，採用增強型毛細管針放電等離子體反應裝置進行水處理的系統圖。如圖I所示，101為用於水處理的增強型毛細管針放電等離子體反應裝置，103氣瓶中的工作氣體經104流量計進入101增強型毛細管針放電等離子體反應裝置，在102頻率為5kHfl00kHz，電壓為IkVlOkV的高壓電源作用下發生放電，產生等離子體，對於待處理水發生淨化作用。參考圖2至3，將更詳細地描述圖I的101增強型毛細管針放電等離子體反應裝置的詳細結構圖，其中圖2為增強型毛細管針放電等離子體反應裝置單個基本單元的詳細結構圖，圖3為由多個基本單元組成的陣列式增強型毛細管針放電等離子體反應裝置的詳細結構圖。如圖2-3，反應裝置採用一種增強型毛細管針放電等離子體水處理裝置，包括反應容器和發生裝置，其中反應容器6內盛有待處理溶液，待處理溶液與高壓電源低壓端相連，兩者同時與地電極5相連；發生裝置置於反應容器內，含有內徑為O. 3mnT3mm且下端管口呈針狀的中空金屬毛細管I、絕緣介質管2、金屬端蓋3和氣室7 ;中空金屬毛細管I上端管口外側通過金屬導線與頻率為5kHz 100kHz，電壓為IkV 30kV的高壓電源高壓端相連，作為功率電極；絕緣介質管2同軸緊密地套在所述中空金屬毛細管I外，其下端管口低於所述中空金屬毛細管I下端針狀管口 3mnTl0mm，且所述絕緣介質管2和所述中空金屬毛細管I兩者上部與氣室7密封連接；金屬端蓋3同軸緊密地套在所述絕緣介質管2下端管口處，作為懸浮電極，且所述金屬端蓋中央有一直徑為O. ImnTO. 5_的小孔4;所述中空金屬毛細管I、絕緣介質管2和金屬端蓋3共同組成增強型毛細管針放電等離子體發生器中的一根基本單元(如圖2)，共有多根，呈陣列狀排列(如圖3)，以起到增強氣體放電等離子體有效成分的作用；氣室7採用絕緣材料製成，上端面開有進氣口，下部與所述陣列式增強型毛細管針放電等離子體發生器相連，所述絕緣介質管2與中空金屬毛細管I上端面呈開口狀，都與所述氣室密7封連接。工作時，工作氣體進入所述氣室7，進而通過所述中空金屬毛細管I上埠進入中空金屬毛細管I和絕緣介質管2，在所述頻率為5kHz 100kHz，電壓為IkV 30kV的高壓電源作用下，在中空金屬毛細管I下端針狀管口與金屬端蓋3之間的絕緣介質管內產生氣體放電等離子體，生成的產物從所述金屬端蓋3上的小孔4流出進入待處理溶液，其中的有效成分(高能電子、OH-自由基、臭氧、過氧化氫等、紫外線、電場等)對於在所述絕緣容器6內的待處理水發生淨化作用；圖1-3所示的系統和反應器的實際效果是本實驗中，採用空氣為氣源，氣體的流·量控制在優化氣量7L/min，絕緣介質層材料選用石英玻璃，電源頻率f = 8. 5kHz,電源峰峰值電壓Vpp=6. 9kV，中空金屬毛細管下端針狀管口距離金屬端蓋下端面7_，金屬端蓋中央小孔直徑O. 2mm,採用多個基本放電單元並聯操作(如圖3，九個基本放電單元並聯操作)，對待處理液進行處理，待處理液為40mg/L亞甲基藍溶液，液量為20mL，處理2min後亞甲基藍的脫色率可達92. 5%,處理8min後脫色率可達98. 9%,處理Ilmin後脫色率可達99. 2%,脫色效果明顯。
權利要求
1.一種增強型毛細管針放電等離子體水處理裝置，其特徵在於，含有反應容器、增強型毛細管針放電等離子體發生器，其中 反應容器，採用絕緣材料製成，內盛待處理水，所述待處理水與高壓電源低壓端相連，兩者共同接地； 增強型毛細管針放電等離子體發生器，置於所述反應容器內，由中空金屬毛細管、絕緣介質管、金屬端蓋與氣室組成，其中 中空金屬毛細管，內徑在O. 3mnT3mm之間，且下端管口呈針狀，上端管口外側通過金屬導線與頻率為5kHz IOOkHz，電壓為IkV 30kV的高壓電源高壓端相連，作為功率電極用； 絕緣介質管，同軸緊密地套在所述中空金屬毛細管外，下端管口是開放的，低於所述中空金屬毛細管下端的針狀管口 3mnTl0mm ； 金屬端蓋，上端是開放的，下底面的中央有一個位置正對著所述中空金屬毛細管下端針狀管口的小孔，直徑為O. ImnTO. 5mm，所述金屬端蓋同軸緊密地套在所述絕緣介質管下端管口處，作為懸浮電極，起到增強毛細管針放電強度的作用； 所述中空金屬毛細管、絕緣介質管和金屬端蓋共同組成增強型毛細管針放電等離子體發生器中的一根基本單元，共有多根，呈陣列狀排列，以起到增強氣體放電等離子體有效成分的作用； 氣室，採用絕緣材料製成，上端面開有進氣口，下部與所述增強型毛細管針放電等離子體發生器相連，所述絕緣介質管與中空金屬毛細管上端面呈開口狀，都與所述氣室密封連接，以便工作氣體通過所述氣室進入上端開口的所述中空金屬管和絕緣介質管內，並使得氣體放電等離子體通過所述金屬端蓋上的小孔進入所述待處理水中，其中的有效成分對所述反應容器內的所述待處理水發生淨化所用。
2.根據權利要求I所述的一種增強型毛細管針放電等離子體水處理裝置，其特徵在於工作氣體為空氣、氧氣、氬氣、氦氣、氮氣及其混合氣中的一種。
3.根據權利要求I所述的一種增強型毛細管針放電等離子體水處理裝置，其特徵在於絕緣介質的材料是玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯中的任何一種。
全文摘要
一種增強型毛細管針放電等離子體反應裝置屬於低溫等離子體的應用技術領域，涉及一種可用於水處理的常壓等離子體放電反應裝置，其特徵在於，包括反應容器和放電裝置，其中放電裝置由金屬毛細管功率電極、絕緣介質管、金屬端蓋懸浮電極與氣室組成，置於反應容器內；工作氣體通過氣室進入金屬毛細管和絕緣介質管內，在高壓電源作用下，在金屬毛細管下端針狀管口與金屬端蓋之間的絕緣介質管內產生氣體放電等離子體，生成的產物從金屬端蓋上的小孔流出進入待處理溶液，對反應容器內的溶液進行淨化；具有活性物質利用率高、對不同待處理液普適性強、穩定性好、易於集成以及降低對等離子體激勵源要求的優點。
文檔編號C02F1/78GK102897892SQ201210417958
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者李和平, 聶秋月, 包成玉, 陳建宇 申請人:清華大學