一種等離子體水處理裝置製造方法

2023-05-01 14:07:46 2

一種等離子體水處理裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣液兩相放電的等離子體水處理裝置，該裝置包括供氣單元和等離子體發生器。所述等離子體發生器包括高壓電源、高壓電極和放電腔體。所述放電腔體前端接進氣口，進氣口設有單向閥，後端開放與待處理的水接觸；所述高壓電極外部設有玻璃罩作為介質。工作時，供氣單元將空氣通入放電腔體，腔體尾部為水相，前部為氣相，高壓電極在混合兩相的環境下，通過高壓放電產生等離子體。本裝置採用氣液兩相放電，既保留了傳統氣相放電易於產生的優點，又增加了放電產物與液體的接觸面，放電產生的電場、紫外輻射、氫氧自由基、不同激勵狀態下的氧原子等活性粒子能夠快速直接作用於液體。
【專利說明】一種等離子體水處理裝置

【技術領域】
[0001] 本發明涉及水汙染防治領域，特別涉及一種等離子體水處理裝置。

【背景技術】
[0002] 近年來，隨著我國經濟的高速發展，產生了大量對環境有害的廢水，飲用水源受到 嚴重汙染，並呈不斷發展趨勢，直接影響到社會生產和人民生活，深度水處理技術的開發和 利用因而越來越受到廣泛關注。
[0003] 常用的水處理方法有：沉澱物過濾法、硬水軟化法、活性炭吸附法、去離子法、逆滲 透法、超過濾法、蒸餾法、紫外線消毒法、生物化學法。然而這些方法或效率較低，或成本較 商，或會廣生新的有毒物質。
[0004] 在民用領域，水產養殖、魚缸觀賞等最常見的是用增氧器增加水中的含氧量。但 是增氧器只能增加含氧量，而對水中滋生的細菌微生物等沒有任何作用；肉製品、水果等保 鮮，最常見的是冷藏手段，但是冷藏需要較高的成本；清洗水果、蔬菜等食品，最常見的是使 用清水，但是仍然會有農藥、消毒液等殘留。
[0005] 研究表明，低溫等離子體技術對實現汙水淨化，改善水質有著十分顯著的作用。等 離子體可以產生電場、紫外輻射、氫氧自由基、不同激勵狀態下的氧原子等粒子，可以高效 地去除微生物，細菌等有害物質，且不會產生新的有毒物質。目前，在一些發達國家，已經採 用等離子體淨水技術，取代傳統的氯化法淨水技術。
[0006] 現有的利用放電等離子體對汙水進行處理的方法和技術中，大多將高壓電極位於 液面以上，不與液面直接接觸。等離子體直接作用於氣體，其放電產物再進一步與液體相作 用。由於放電氣體中大部分活性粒子的壽命很短，其氧化作用無法得到充分利用。另外，這 些方法中，放電電壓不是加在水上，高電壓對水中雜質的活化、極化和中性化作用並不產生 很大影響，從而導致了這些方法水處理效率低下。還有一些水處理裝置淨水效率較高，但是 結構複雜，成本較高。


【發明內容】

[0007] 針對現有技術中存在的缺陷，本發明公開了一種氣液兩相放電的等離子體水處理 裝置；
[0008] 所述裝置包括供氣單元和等離子體發生器，其特徵在於：所述供氣單元用於將空 氣導入所述等離子體發生器的放電腔體內；所述等離子體發生器包括高壓電極和放電腔 體，所述高壓電極置於放電腔體內，工作時，放電腔體一端為水相，另一端氣相，高壓電極在 水氣混合兩相的環境下，通過高壓放電產生等離子體氣體。
[0009] 本發明所述的裝置產生了以下有益效果：（1)本發明利用空氣放電產生的等離子 體，不僅能夠向水中輸送氧氣，還可以產生電場，紫外輻射，產生氫氧自由基，不同激勵狀態 下的氧原子等活性粒子，氧氣可以供給呼吸，活性粒子高效地去除微生物，細菌等有害物 質；(2)本發明採用單向閥確保水流單向導通，將魚缸或水槽開孔，等離子體發生器可以放 在底部或側壁，能夠調節等離子體發生器伸進水中的距離，不僅可以提高處理效果，還可以 方便地做成景觀；（3)本裝置採用氣液兩相放電，既保留了傳統氣相放電易於產生的優點， 又增加了放電產物與液體的接觸面，放電產生的物理效應和各種活性粒子能夠快速直接作 用於液體，同時還可以產生水合電子、氫原子等其他活性粒子，對水中的雜質也有較好的活 化、極化和中性化作用，具有非常好的水處理效果；(4)通過調節空氣泵的功率和高壓電源 的頻率或電壓，使得空氣流量和等離子體產生的速度可以同步調節，這樣會使得活性粒子 密度很高，在很短的時間內就可以對水有很好的淨化效果；(5)等離子體發生裝置在大氣 壓下進行操作，無需真空腔，設備簡單，操作方便，價格低廉，而且等離子體處理過後不會產 生毒性殘留。（6)等離子發生器的高壓電極與水做到了良好的電氣絕緣，使得裝置非常安 全，可以應用於多種民用領域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明等離子體水處理裝置的結構示意圖，圖中包括供氣單元100和等離 子體發生器200 ;
[0011] 圖2為本發明第一實施例的水處理裝置的結構示意圖，圖中包括供氣單元100、等 離子體發生器200、塑料導管101、單向閥102、高壓電源201、放電腔體202、高壓電極203、 進氣口 204,玻璃罩205,密封蓋206和外殼207 ;
[0012] 圖3為本發明中第二實施例的水處理裝置的結構示意圖，圖中包括供氣單元100、 等離子體發生器200、塑料導管101、單向閥102、高壓電源201、放電腔體202、高壓電極 203、進氣口 204,玻璃罩205,密封蓋206,外殼207和電路板208 ;

【具體實施方式】
[0013] 就本發明而言，最基礎的實施例在於提出了： 一種氣液兩相放電的等離子體水處 理裝置，其特徵在於：該裝置包括供氣單元和等離子體發生器。所述等離子體發生器包括高 壓電源、高壓電極和放電腔體。工作時，放電腔體尾部為水相（以氣流方向為參考），前部為 氣相，高壓電極在混合兩相的環境下，通過高壓放電產生等離子體氣體。
[0014] 該實施例中，不僅能夠向水中輸送氧氣，還可以產生電場，紫外輻射，產生氫氧自 由基，不同激勵狀態下的氧原子等活性粒子。氧氣可以供給呼吸，活性粒子高效地去除微生 物，細菌等有害物質。本發明採用單向閥確保水流單向導通，將魚缸或水槽開孔，等離子體 發生器可以放在底部或側壁，能夠調節等離子體發生器伸進水中的距離，不僅可以提高處 理效果，還可以方便地做成景觀；採用氣液兩相放電，既保留了傳統氣相放電易於產生的優 點，又增加了放電產物與液體的接觸面，放電產生的物理效應和各種活性粒子能夠快速直 接作用於液體，同時還可以產生水合電子、氫原子等其他活性粒子，對水中的雜質也有較好 的活化、極化和中性化作用，具有非常好的水處理效果；等離子發生器的高壓電極與水做到 了良好的電氣絕緣，使得裝置非常安全，可以應用於多種民用領域。
[0015] 就該實施例而言，空氣如何產生，並不影響該實施例的技術效果。
[0016] 下面結合附圖，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用 於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可 以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範 圍。
[0017] 如圖1所示，本發明的空氣淨化裝置包括供氣單元100和等離子體發生器200。
[0018] 供氣單元100主要組成部分是空氣泵，可以將外界空氣通入裝置中，產生空氣氣 流。空氣發生器100中可以設置空氣過濾管道，將外界空氣先過濾淨化，再利用空氣泵將空 氣通入塑料導管101。塑料導管101可以設計很長，在靠近其出口的位置設置單向閥102， 單向閥102確保在不工作時，水也不會倒灌進入空氣泵。空氣被通入塑料導管，經單向閥， 再進入等離子體發生器200。
[0019] 等離子體發生器200可以包括高壓電源、高壓電極和放電腔體。高壓電源與高壓 電極連接，為等離子體發生器200提供激勵電源；所述放電腔體尾端完全開放（以氣流方向 為參考），前端密封，前部設有進氣口 204,外面包裹著一層外殼207,外殼207直接接地；等 離子體發生器200的進氣口 204與供氣單元100的塑料導管101相連；高壓電極203置於 放電腔體中，高壓電極外部設有玻璃罩205作為介質，高壓電極在高壓條件下通過介質阻 擋放電產生等離子體；氣液兩相環境下產生的等離子體與氣體通路中的空氣混合後，直接 與水接觸。
[0020] 下面進行具體說明。
[0021] 實施例1
[0022] 請參閱圖2,本實施例中的空氣淨化裝置包括供氣單元100和等離子體發生器 200。
[0023] 供氣單元100,可以包括空氣泵，塑料導管101和單向閥102。空氣泵可以將外界 空氣通入裝置中，產生空氣氣流；空氣氣流通入塑料導管101。為了提高通入空氣的質量， 空氣泵中可以設置空氣過濾管道，將外界空氣先過濾淨化。塑料導管101根據需要可以設 計很長，在靠近其出口的位置設置單向閥102,單向閥102確保在不工作時，水也不會倒灌 進入空氣泵。空氣被通入塑料導管，經單向閥，再進入等離子體發生器200。
[0024] 本發明實施例中的空氣泵100的空氣流量可調，通過調節空氣泵100的空氣流量， 就可以調節等離子體水處理裝置的混合氣體噴出速度。具體實現時可以通過調節空氣泵 100的功率來改變空氣流量的大小，功率增大時空氣流量增加，功率減小時空氣流量減小。 更進一步的，通過調節高壓電源的頻率或電壓，使得空氣的流量和等離子體產生的速度可 以同步調節，這樣會使得活性粒子密度很高，在很短的時間內就可以對水有很好的淨化效 果；
[0025] 等離子體發生器200與塑料導管101密閉連接，等離子體發生器200包括高壓電 源201、放電腔體202、高壓電極203、進氣口 204,玻璃罩205,密封蓋206和外殼207。下面 分別進行詳細說明。
[0026] 高壓電源201
[0027] 高壓電源201用於為等離子體發生器200提供高壓電，以激勵電極電離空氣而產 生低溫等離子體。所述高壓電源201可以為正弦高壓電源，頻率範圍為50Hz到100kHz。就 該實施例而言，實際應用中，正弦高壓電源電壓峰-峰值選擇範圍在IkV到10kV，頻率範圍 不高於100kHz，頻率過低則放電不穩定，頻率過高則會導致等離子體發熱現象明顯。
[0028] 高壓電源也可以是脈衝高壓電源，其脈衝頻率不高於100kHz。脈衝高壓電源的頻 率越高，等離子體的處理速度越快，而且放電電壓越低，但等離子體溫度會隨頻率升高。就 該實施例而言，在脈衝高壓電源激勵下，活性粒子的生成效率更高，同時由於降低了總的放 電功率，使得等離子體溫度進一步降低。
[0029] 本發明實施例中可以根據空氣的流量來動態調整高壓電源的頻率或電壓，以使得 等離子體的處理速度與空氣的流量相適應。具體而言，對脈衝電源而言，空氣流量越大，則 高壓電源的頻率越高，相反則越低；對正弦高壓電源而言，空氣流量越高，則高壓電源的電 壓越高，相反則越低。具體實現時可以在塑料導管101處增加一個傳感器用於檢測空氣流 量，同時設置一個控制器，控制器根據接收到的傳感器檢測到的空氣流量相應調節高壓電 源的電壓或頻率。
[0030] 放電腔體202可以採用玻璃、陶瓷等絕緣材料，形狀可以是筒形、方形、長方形等。 放電腔體202內設置有高壓電極203。放電腔體尾端完全開放，前端密封，前部設有進氣口 204。高壓電極203置於氣體通路內，放電腔體的進氣口與空氣泵100的塑料導管101密閉 連接。氣體通過進氣口進入腔體，高壓電極203在氣體通路內進行高壓放電，產生等離子 體，所屬反應之後的混合氣體直接與水接觸。外殼的前端設置有密封蓋206,外面包裹著外 殼 207。
[0031] 高壓電極203設置於放電腔體內，優選的，其被玻璃罩205包裹，本發明實施例中 的高壓電極為針狀，且設置有大量的放電尖刺，更便於產生電暈放電。高壓電極203的內徑 和長度可以改變。
[0032] 進氣口 204與出氣埠 300的塑料導管301密閉連接。
[0033] 玻璃罩205 -方面確保高壓電極203不與水接觸（既能保護電極不被侵蝕，還能 使水與高壓隔絕，確保安全），另一方面作為介質參與介質阻擋放電，玻璃罩205尾部與密 封蓋206密閉連接。
[0034] 密封蓋206將放電腔體與高壓電極之間的空隙密封，確保整個等離子體發生器氣 密性良好；採用良好的絕緣材料，確保外殼與高壓電極之間電氣絕緣良好。
[0035] 外殼207選用金屬等導電材料，並且直接接地。
[0036] 所述本實施例中的高壓電極203可以電離空氣產生等離子體，不僅能夠向水中輸 送氧氣，還可以產生電場，紫外輻射，產生氫氧自由基，不同激勵狀態下的氧原子等活性粒 子，氧氣可以供給呼吸，活性粒子高效地去除微生物，細菌等有害物質。對淨化汙水，改善水 質有非常顯著的作用。將本發明的等離子體水處理裝置放在魚缸中運行一段時間後，對魚 缸中的水進行氧氣濃度和氧負離子濃度檢測，發現二者均有升高。進一步檢測發現水中的 細菌及其他有毒物質均明顯降低。通過光譜分析發現，其中〇 3, H2O2, (V，0Γ，H+，HCV等活性 粒子是殺菌的關鍵粒子，而〇2_，0Γ，HCV，不同激發態的氧等短壽命高活性的粒子發揮了重 要的作用。
[0037] 本發明實施例中的等離子體水處理裝置，通過供氣單元100為等離子體發生器 200的放電提供反應氣體，電極置於放電腔體內，通過介質阻擋放電產生等離子體；利用單 向閥確保水流單向導通，將魚缸或水槽開孔（如圖2所示），等離子體發生器和出氣埠可 以放在底部或側壁，還可以調節伸進水中的距離，不僅可以提高處理效果，還可以方便地做 成景觀；採用氣液兩相放電，既保留了傳統氣相放電易於產生的優點，又增加了放電產物與 液體的接觸面，放電產生的物理效應和各種活性粒子能夠快速直接作用於液體，同時還可 以產生水合電子、氫原子等其他活性粒子，對水中的雜質也有較好的活化、極化和中性化作 用，具有非常好的水處理效果；等離子體發生裝置在大氣壓下進行操作，無需真空腔，設備 簡單，操作方便，價格低廉，而且等離子體處理過後不會產生毒性殘留。通過等離子體中的 紫外輻射和大量活性粒子，實現對水中汙染物的去除，同時增加水中的含氧量和氧負離子 的濃度。
[0038] 實施例2
[0039] 本實施採用多個間距均勻的高壓電極產生介質阻擋放電（圖3中只表示了平面的 三個電極，實際上可以用更多的電極做成立體的矩陣式大尺度放電裝置），每個電極外依然 設有玻璃罩203,玻璃罩外是外殼202,所有的外殼均接地；並且每個電極和每個玻璃罩尾 部均與電路板208密閉連接，電路板208內部有導電板，導電板上部與所有高壓電極203相 連，下部與高壓導線207相連，高壓導線207選用硬質粗銅線，電路板208與高壓導線207 的外部均用橡膠絕緣材料確保任何時候高壓電都與水做到良好的隔絕。通過這樣的調整， 在第一實施例中單電極產生小尺度等離子體，在此實施例中多電極產生矩陣式大尺度等離 子體，大尺度等離子體產生的電場、紫外輻射等物理作用將會更加明顯，各種活性粒子也將 更多更密集，從而大幅提高了處理效率。
[0040] 等離子體與水溶液相互作用的仿真研究表明，空氣等離子體中的一些粒子，如03， N2O5, N20, H2O2, HNO2, HNO3，它們與水接觸後會發生強烈的化學反應，其中的臭氧和氮氧化物 會被去除，而且可以產生負離子。比如N0, 03, HNO3等在水中可以通過一系列反應生成負離 子(V，N<v，(V等。這些活性粒子都可以高效的改善水質。
[0041] 本發明裝置在開始工作時，應先開啟空氣泵通入氣體，再開啟高壓電源產生等離 子體；在停止工作時應先關閉高壓電源，再關閉空氣泵。儘管如此，為了避免意外，本裝置還 是堅持做到了各處良好的電氣絕緣。
[0042] 以上是對本發明的等離子體水處理裝置的介紹，但本領域技術人員應當明了，本 發明的高壓電極203並不限於針狀，例如還可以是螺旋形、S形網狀等，任何可以電離空氣 產生等離子體的電極均可。
[0043] 本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與 其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對於系統實施例 而言，由於其與方法實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部 分說明即可。
[0044] 以上對本發明所提供的等離子體水處理裝置，進行了詳細介紹，本文中應用了具 體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發 明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實 施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限 制。
【權利要求】
1. 一種氣液兩相放電的等離子體水處理裝置，所述裝置包括供氣單元和等離子體發生 器，其特徵在於：所述供氣單元用於將空氣導入所述等離子體發生器的放電腔體內；所述 等離子體發生器包括高壓電極和放電腔體，所述高壓電極置於放電腔體內，工作時，放電腔 體一端為水相，另一端氣相，高壓電極在水氣混合兩相的環境下，通過高壓放電產生等離子 體氣體。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於：所述放電腔體為水相的一端開口，為氣相 的一端設有進氣口，氣體通過進氣口進入腔體。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述等離子體發生器還包括：高壓電源， 所述高壓電源與高壓電極相連，所述高壓電源的電壓和頻率能夠調節。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，優選的，所述等離子體發生器還包括：密 封蓋和外殼；密封蓋將放電腔體與高壓電極之間的空隙密封，外殼包裹著放電腔體並直接 接地。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於：所述高壓電極外部設有玻璃罩，所述玻璃 罩確保高壓電極不與水接觸，作為介質使高壓電極在高壓條件下通過介質阻擋放電產生等 離子體。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於：所述供氣單元包括空氣泵、導管和單向 閥，所述供氣單元通過空氣泵將空氣導入導管，經單向閥，再進入等離子體發生器中。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述放電腔內包括一個或者多個高壓電 極，多個高壓電極組成矩陣式介質阻擋放電結構，高壓電極可以是針狀、螺旋形、S形網狀任 何可以電離空氣產生等離子體的電極，所述高壓電極上設置有多個用於降低放電起始電壓 的放電突起，高壓電極的內徑和長度能夠改變。
8. 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於：所述等離子體發生器可以置於所述裝置 底部或側壁，所述等離子體發生器能夠伸到水中不同的距離中。
9. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述放電腔體和密封蓋由玻璃或陶瓷等 絕緣材料製作而成，所述外殼由金屬等導電材料製作而成。
10. 根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述供氣單元通過調節空氣泵的功率來 改變空氣的流量，從而調節等離子體水處理裝置的混合氣體噴出速度。
【文檔編號】C02F1/50GK104211137SQ201410394719
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】劉定新, 王遂, 王小華, 榮命哲 申請人:西安交通大學