專利名稱：雙極性脈沖放電水處理方法
技術領域：
本發(fā)明屬于低溫等離子體的應用技術領域，尤其涉及一種水的放電低溫等離子體高級氧化處理方法。
背景技術：
目前，對于水中難生物降解的有機污染物質和持久性有機污染物質，常規(guī)的處理方法如物理化學方法處理效率低。由于化合物性質穩(wěn)定，有的甚至限制微生物的生長，因此生物方法也很難發(fā)揮作用。
新發(fā)展起來的高級氧化技術如芬頓(Fenton)試劑方法雖然處理效率高，但為創(chuàng)造芬頓反應而提供的試劑非常昂貴。臭氧及其組合臭氧氧化方法，因臭氧發(fā)生器價格昂貴，且臭氧的發(fā)生效率低，能耗較大，放電過程中能量沒有被充分利用。光催化方法設備簡單，操作方便，但其光量子效率低，對光波的要求高。
電子束方法產(chǎn)生電子束的設備體積龐大，電子束的產(chǎn)生和加速設備復雜，設備及運行費用高。
氣體放電低溫等離子體化學方法水處理是近年來才發(fā)展起來的一種技術。常用的放電等離子體方法水處理反應器的電極結構有溶液中的點(針)—板、線—板結構形式及液面上放電形式。點(針)—板型電極結構的反應器中作為高壓電極的點(針)存在嚴重的腐蝕問題，文獻《Physics of Plasma》2001，8(5)“Pulse electrical discharges in water and their applications”報道對于針尖半徑為R～0.05mm的針電極，平均功率為100W時，電極的平均壽命僅為10～20分鐘，同時單針(或點)在反應器中占有的體積小，受處理液體體積少。液面上放電形式的反應器存在著短壽命自由基透過氣層向液面擴散遷移以及活性物種由液面表層向深層的傳質問題，從而限制了受處理的水僅為表層液體，使得放電水處理方法的優(yōu)勢難以發(fā)揮。
放電過程中的活性物種(如高能電子，OH等自由基及臭氧，過氧化氫等)的產(chǎn)生量對于水處理效果有重要的影響。高能電子直接影響這些物種的產(chǎn)生效率。和直流相比，單極性脈沖供電利于電子的加速，而不加速離子等重粒子，處理效果有一定的提高。大連理工大學碩士學位論文(2001，3)“高壓放電等離子體水處理研究”報道了電極間距為30mm，放電單極性脈沖電壓25KV，處理30min后，靛藍二磺酸鈉溶液的脫色率達到80％，處理效果不理想。
電極上覆蓋有絕緣介質的DBD放電用于氣態(tài)污染物質的治理如降解VOCs、產(chǎn)生臭氧等方面研究較多。用單極性脈沖電源對該形式的放電反應器供電，由于介質的存在，介質上積累的電荷難以泄放掉而形成拖尾，不利于放電的處理。此現(xiàn)象在用于液態(tài)污染物質的處理時更為明顯。
雙極性脈沖用于臭氧的發(fā)生，使得放電兼有電暈放電和DBD放電的優(yōu)點，可以提高放電的中的微放電的強度，增加臭氧的產(chǎn)量，但是將雙極性脈沖電源用于在線氣液混合體放電水處理，還未見有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用雙極性脈沖電源向覆蓋有絕緣介質的電極供電，增強電極間的電場，形成更多的微放電，產(chǎn)生更多的活性物種，實現(xiàn)更高效的水體殺菌，廢水的脫色特別是催化降解難生物降解及持久性有機污染物質(POPs)的方法，解決現(xiàn)有的放電等離子體水處理效率低，作用不明顯的問題。
本發(fā)明的技術方案是在利用雙極性脈沖電源對電極上覆蓋有絕緣介質的板—板、點(針)—板、線—板、線(柱)—筒結構形式的放電反應器供電。
該方法依據(jù)電暈放電、流注放電和介質阻擋放電的原理，設計的放電反應處理系統(tǒng)由雙極性脈沖電源和有介質阻擋的放電電極系統(tǒng)包括高壓放電電極以及低壓地電極構成。反應器的高壓電極和/或地電極表面覆蓋玻璃、陶瓷等絕緣介質?？諝?、氧氣、氮氣、氬氣中的一種或幾種經(jīng)氣體分布板、微孔曝氣頭、曝氣軟管等氣體分散設備，分散成細小氣泡后散布在整個電極間隙的被處理的水和廢水中，也可以是氣體和被處理的水經(jīng)氣液混合設備如氣液混合泵等形成氣液混合體直接進入到電極間隙。氣液混合體在外電場的作用下放電，產(chǎn)生低溫等離子體。放電等離子體通道中富含有強氧化性的活性物種如羥基自由基、臭氧、過氧化氫等，以及水合電子(eaq-)；同時，放電通道發(fā)展過程中發(fā)射出具有催化作用的紫外光、沖擊波等。這些物質和效應及電場直接作用于被處理的水，實現(xiàn)了在線的氣液混合體放電水處理，提高了放電反應器的處理效率。
同時，供電電源還可以是交流、中頻、高頻的高壓電源，還可以在放電反應器的裸露于水中的電極和/或絕緣介質表面上負載具有光催化活性和/或電催化活性的催化劑薄膜，充分利用電極和電場和放電的作用，以進一步增強對水處理的效果。
視實際水量及處理要求，上述的多個反應器可以多級串聯(lián)或并聯(lián)操作，達到實際需要的目的。
本發(fā)明的效果和益處是1、應用雙極性脈沖電源，結合氣液混合環(huán)境的創(chuàng)造，提高了放電的強度，從而大大提高了放電等離子體中活性物種的產(chǎn)生效率，增強了水處理效果。
2、電極上的絕緣介質，增強了電極間電場，同時保護高壓電極，延長了電極的壽命。
3、氣液混合體的放電，使得放電過程中產(chǎn)生的活性物種和效應及電場直接作用于被處理的水，實現(xiàn)了在線放電處理，提高了放電反應器的處理效率，實現(xiàn)更高效的水體殺菌，廢水的脫色特別是催化降解難生物降解及持久性有機污染物質(POPs)的目的。
4、電極材料上負載的催化劑等活性物質，充分利用了電場和放電產(chǎn)生的紫外光等，使得放電作用和催化作用加以集成協(xié)同，提高了水處理的效果。


圖1是雙極性脈沖放電水處理方法的供電、放電處理系統(tǒng)圖。
圖中(1)反應器殼體；(2)金屬網(wǎng)筒；(3)高壓電極；(4)玻璃絕緣介質；(5)空氣入口；(6)曝氣頭；(7)液體入口閥；(8)排水口閥；(9)排氣口；(10)雙極性脈沖電源。
圖2是本發(fā)明方法的實例反應器結構圖。
圖中(1)反應器殼體；(2)金屬網(wǎng)筒；(3)高壓電極；(4)玻璃絕緣介質；(5)空氣入口；(6)曝氣頭；(7)液體入口閥；(8)排水口閥；(9)排氣口；(11)固定板；(12)角鋼骨架；(13)高壓引線入口；(14)上蓋板；(15)限位塊；(16)螺栓。
具體實施例方式
下面結合說明書附圖，詳細敘述本發(fā)明的最佳實施例。
為了更好的加速放電過程中的自由電子，而不加速離子，以產(chǎn)生更多的活性物種，供電電源采用雙極性脈沖電源(10)，其電源參數(shù)為峰峰值電壓1～200千伏，脈沖上升時間30～300納秒，脈沖重復頻率1～2000赫茲。
反應器采用柱—筒狀電極結構的圓筒形反應器，高壓電極(3)的表面與氣液混合體接觸部分完全被玻璃絕緣介質(4)均勻覆蓋，使金屬高壓電極(3)和氣液混合體隔離開，同時保證絕緣介質無明顯的棱角和突起，避免強烈的局部放電的發(fā)生。絕緣介質的存在，增強了電極間的電場，利于氣泡中的電子的加速，提高了水處理的效率。
圖2所示反應器殼體(1)為圓筒形有機玻璃筒，有機玻璃筒體(1)高1000mm，內(nèi)徑70mm，內(nèi)壁緊襯金屬網(wǎng)筒(2)作地電極，高壓電極(3)為金屬鐵棒制成，通過高壓引線經(jīng)高壓引線入口(13)和雙極性脈沖電源(10)的輸出端相連。金屬鐵棒外緊貼一層絕緣玻璃介質(4)，絕緣介質(4)和金屬高壓電極(3)組成的復合體通過反應器的上蓋板(14)及下部的限位塊(15)限制定位，確保和有機玻璃筒(1)及金屬網(wǎng)筒(2)同心放置。電極間隙的距離對于實際的處理效果有較大影響，其大小視供電電源的特性和電極形狀確定。
空氣從反應器的下部由入口(5)經(jīng)曝氣頭(6)分散成細小的微氣泡后，進入到電極間隙的放電反應空間，分散到被處理的水中，形成氣液混合體，放電后的氣體經(jīng)排氣口(9)排出；液體由入口閥(7)進入反應器，被處理后經(jīng)排水閥(8)流出。氣體的流量對于實驗的效果有一定的影響，對于一定結構的反應器，該流量有一優(yōu)化值，對于本反應器，筒體中液體為650ml時，優(yōu)化氣量為0.75m3/h。
曝氣頭(6)放置于反應器筒體(1)的固定板(11)和角鋼骨架(12)之間，并用螺栓(16)栓牢固定。
圖(1)、(2)所示的供電系統(tǒng)和反應器的實際效果是供電電源為雙極性脈沖電源峰峰值電壓1～200千伏，脈沖上升時間30～300納秒，脈沖重復頻率1～2000赫茲。實驗中采用空氣為氣源，氣體的流量控制在優(yōu)化氣量0.75m3/h。供電電壓控制在低于火花電壓的條件下進行，本實驗中均采用Vpp＝19千伏，反應器電極間距為5mm。對于吸光度(Abs)為1.406，電導率220μs/cm，pH7.27的650ml靛藍二磺酸鈉溶液，經(jīng)過放電反應器的處理2.5分鐘，溶液脫色效率可達到80.37％，處理5分鐘，脫色率達到98.72％，同時靛藍二磺酸鈉廢水的電導率上升，pH下降，脫色效果明顯。
權利要求
1.一種雙極性脈沖放電水處理方法，是利用雙極性脈沖電源向覆蓋有絕緣介質的電極供電，增強電極間氣液混合體上的電場，形成更多的微放電，其特征在于a)供電電源采用雙極性脈沖高壓電源；b)放電反應器的高壓電極和/或低壓電極被玻璃、陶瓷等絕緣介質覆蓋；c)氣液混合體在外電場的作用下放電；其中所述氣體為空氣、氧氣、氮氣、氬氣中的一種或幾種；氣體可以是經(jīng)氣體分布板、微孔曝氣頭、曝氣軟管等氣體分散設備，分散成細小氣泡后散布在整個電極間隙的被處理的水中，也可以是氣體和水經(jīng)過氣液混合設備形成氣液混合體直接進入到電極間隙。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙極性脈沖放電水處理方法，其特征還在于供電電源還可以是交流、中頻、高頻的高壓電源；還可在絕緣介質和/或與水直接接觸的電極表面負載一層具有催化活性的催化劑薄膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于低溫等離子體的應用技術領域，尤其涉及一種水的放電低溫等離子體高級氧化處理方法。本發(fā)明公開了一種雙極性脈沖放電低溫等離子體在線水處理方法。其特征是利用雙極性脈沖高壓電源供電，放電電極被介質覆蓋，電極間隙充滿了細小氣泡和被處理的水組成的氣液混合體。高強電場和氣液混合體放電產(chǎn)生的低溫等離子體直接作用于被處理的水。采用本發(fā)明公開的供、放電系統(tǒng)，增強了電極間電場，保護高壓電極，延長了電極的壽命。實現(xiàn)更高效的水體殺菌，廢水的脫色特別是催化降解難生物降解及持久性有機污染物質(POPs)的目的。
文檔編號C02F1/48GK1440934SQ03111418
公開日2003年9月10日 申請日期2003年4月8日 優(yōu)先權日2003年4月8日
發(fā)明者吳彥, 張若兵, 李 杰, 王寧會 申請人:大連理工大學