專利名稱：微等離子體弧放電催化水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境工程廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及液下放電催化。
背景技術(shù)：
放電過程能產(chǎn)生高能環(huán)境，產(chǎn)生的等離子體中含有大量高能活性粒子，對許多分子有破壞作用。這些高能活性粒子與催化劑相結(jié)合，能有效提高放電處理效果，促進有機分子分解，因而成為污染處理技術(shù)研究和開發(fā)的熱點。
高壓脈沖放電與催化協(xié)同在含揮發(fā)性有機物、NOX的氣體凈化處理領(lǐng)域中已有廣泛的研究[1-7]。然而，液下放電與催化劑協(xié)同用于水處理領(lǐng)域的研究較少，國內(nèi)外的研究有在高壓脈沖放電水處理系統(tǒng)中加FeSO4、H2O2、納米鐵黃[8-11]等來提高水質(zhì)凈化的效果，主要利用其與放電生成的H2O2形成類似Fenton試劑，在等離子體放電火花的協(xié)同作用下促進有機物的降解。李杰等[12]提出了將高壓脈沖電暈放電與TiO2催化劑結(jié)合技術(shù)，利用放電輻射的紫外光激發(fā)TiO2光催化效應(yīng)進行水處理，其中TiO2是懸浮態(tài)存在于水處理體系中。
如果將TiO2催化劑負載置放于或原位生成于放電電極上將更有利于放電與催化的協(xié)同，這種液下電極上的放電催化體系尚未見報道。研究、開發(fā)新型液下電極表面的放電催化水處理技術(shù)是本項目的目的。
微等離子弧放電技術(shù)是在導電溶液中利用微等離子體放電，直接在鋁、鈦、鎂等輕金屬表面通過復雜的電化學、等離子體化學和熱化學過程原位生長氧化物陶瓷膜層，以此完成對陽極表面的改性[13，14]，是材料學領(lǐng)域新發(fā)展的材料表面改性技術(shù)。
在對其放電特性的考察中，本項目發(fā)明者發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有與其他放電不可比擬的優(yōu)點，能形成更好的TiO2催化環(huán)境。首先從放電模式來看[15]，微等離子體技術(shù)具有類似介質(zhì)阻擋放電的特性，但形成的是微放電通道，因此它既具有弧光特征，提供高能量，卻又溫和，且所需峰值電壓較低200～600V左右。其次，Ti是少數(shù)可以產(chǎn)生微等離子體放電的金屬之一，以其為陽極，在酸性電解液中，其表面可形成以銳鈦礦為主要晶型的TiO2陶瓷層[14]。而TiO2在一定的能量場作用下，如紫外光、超聲波、電場等，能經(jīng)由電子-空穴對的產(chǎn)生而起到催化作用，因此，利用TiO2催化作用進行水處理一直都是研究熱點。而微等離子體技術(shù)制備的TiO2陶瓷層也已被證明有好的光催化活性[16]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述鑒于以上的考慮，提出了一種微等離子體弧放電催化水處理方法。利用Ti為陽極進行微等離子體放電，原位形成有催化作用的陶瓷層，并同時對模擬有機廢水進行了處理，研究出一種微等離子體放電與催化的協(xié)同作用水處理方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，微等離子體弧放電催化水處理方法，該方法是將電解質(zhì)以一定濃度要求加入到待處理的水溶液中，對反應(yīng)體系施加脈沖直流電壓，使陽電極極表面能夠原位生成負載型催化劑進行放電催化，電解質(zhì)為H3PO4或NaOH，其濃度范圍分別為0.01-1mol/L和1-20g/L，陽極電極為鈦金屬、鈦合金、摻雜銀或鐵或鎢的鈦，陽極電極間距為2mm-1000mm，插入液體中的陽極電極表面積為1-1000cm2，峰值電壓為200-10000V，頻率為50Hz-50kHz，占空比為1/360-1/60，水溶液溫度為0-80℃，處理時間為20分鐘-4小時；該方法可分為靜態(tài)處理和動態(tài)處理方式，具體處理步驟為1)靜態(tài)處理方式在待處理液中按定濃度要求加入電解質(zhì)，動態(tài)處理方式在待處理的液體輸入管道里可調(diào)地注入電解質(zhì)；2)打開通風系統(tǒng)；
3)于反應(yīng)池中插入電極；5)將混有電解質(zhì)的待處理液輸入反應(yīng)池中；(6)接通電源，并逐漸升高電壓至放電電壓臨界值后，在峰值電壓為200-10000V電壓值下穩(wěn)定放電，7)靜態(tài)處理方式定時取樣化驗水質(zhì)的變化，按預(yù)先的計算處理時間，并結(jié)合化驗的結(jié)果，確定處理結(jié)束時間；動態(tài)處理方式分析從反應(yīng)池流出的處理后的水質(zhì)，結(jié)合化驗的結(jié)果，調(diào)節(jié)適當?shù)牧髁?，使處理效果滿足要求；8)處理結(jié)束時，對動態(tài)方式處理系統(tǒng)，停止輸入待處理液于反應(yīng)池，逐漸降低電壓至10～20V后，再關(guān)電源及通風系統(tǒng)。
所述的電解質(zhì)為Na2CO3、NaAlO2、Na2SO4、Na3PO4中的一種，其濃度范圍分別為1-30g/L、1-30g/L、2-20g/L、10-60g/L。所述的陽極電極為鈦合金、摻雜銀或鐵或鎢的鈦。陽極電極形狀為針狀或板狀。
本發(fā)明的有益效果是，該放電催化體系具有協(xié)同效果好、有機廢水的降解處理能效高、反應(yīng)器設(shè)計要求簡單等特點，是一種有發(fā)展前景的水處理新技術(shù)。


圖1是實施本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1、脈沖電源，2、正極，3、負極，4、示波器，5、陽極電極，6、陰極電極，7、電解液，8、反應(yīng)池。
具體實施例方式
如圖1，放電催化水處理的實驗裝置包括脈沖電源和微弧反應(yīng)池兩大部份，由脈沖電源1、正極2、負極3、示波器4、陽極電極5、陰極電極6、電解液7和反應(yīng)池8組成，脈沖電源1的正極2和陽極電極5相連，負極3和陰極電極6相連，陽極電極5和陰極電極6插入含有電解液7的反應(yīng)池8中。電源為大連海事大學自行研制的金屬表面微弧氧化專用純方波窄脈沖直流電源，電源的電流0~20A、頻率50~2000Hz和電壓0~600V均可調(diào)節(jié)，平均電流的大小通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來控制。實驗電壓脈沖頻率為300Hz，占空比1∶180。陽極電極5面積為25mm×50mm，陰極電極6為不銹鋼板，面積為20mm×40mm，電極間距為10cm。電解液為0.3mol/L磷酸溶液。本實驗采用甲基橙配制模擬的染料廢水，因為這種水溶性偶氮染料是印染行業(yè)廢水處理的主要對象，且含有苯環(huán)，用化學和生物等方法處理該類廢水的效果均不理想。甲基橙初始濃度為20.0mg/L，處理量為600mL。
實驗中記錄平均電流和峰值電壓的變化，用示波器4測量直流脈沖波型寬度。用日本島津紫外-可見分光光度計JascoUV550測廢水中最大吸收波長510nm處的吸光度的變化，以反映甲基橙溶液的脫色效果，脫色率η為處理前后吸光度的變化率。電極上放電發(fā)出的微弧由ocean optics生產(chǎn)的UBS2000紫外可見光纖光譜儀測試。
權(quán)利要求
1.微等離子體弧放電催化水處理方法，其特征在于，該方法是將電解質(zhì)以一定濃度要求加入到待處理的水溶液中，對反應(yīng)體系施加脈沖直流電壓，使陽電極極表面能夠原位生成負載型催化劑進行放電催化，電解質(zhì)為H3PO4或NaOH，其濃度范圍分別為0.01-1mol/L和1-20g/L，陽極電極為鈦金屬、鈦合金、摻雜銀或鐵或鎢的鈦，陽極電極間距為2mm-1000mm，插入液體中的陽極電極表面積為1-1000cm2，峰值電壓為200-10000V，頻率為50Hz-50kHz，占空比為1/360-1/60，水溶液溫度為0-80℃，處理時間為20分鐘-4小時，該方法可分為靜態(tài)處理和動態(tài)處理方式，具體處理步驟為1)靜態(tài)處理方式在待處理液中按定濃度要求加入電解質(zhì)，動態(tài)處理方式在待處理的液體輸入管道里可調(diào)地注入電解質(zhì)；2)打開通風系統(tǒng)；3)于反應(yīng)池中插入電極；5)將混有電解質(zhì)的待處理液輸入反應(yīng)池中；(6)接通電源，并逐漸升高電壓至放電電壓臨界值后，在峰值電壓為200-10000V電壓值下穩(wěn)定放電，7)靜態(tài)處理方式定時取樣化驗水質(zhì)的變化，按預(yù)先的計算處理時間，并結(jié)合化驗的結(jié)果，確定處理結(jié)束時間；動態(tài)處理方式分析從反應(yīng)池流出的處理后的水質(zhì)，結(jié)合化驗的結(jié)果，調(diào)節(jié)適當?shù)牧髁?，使處理效果滿足要求；8)處理結(jié)束時，對動態(tài)方式處理系統(tǒng)，停止輸入待處理液于反應(yīng)池，逐漸降低電壓至10～20V后，再關(guān)電源及通風系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的微等離子體弧放電催化水處理方法，其特征在于，所述的電解質(zhì)為Na2CO3、NaAlO2、Na2SO4、Na3PO4中的一種，其濃度范圍分別為1-30g/L、1-30g/L、2-20g/L、10-60g/L。
3.、根據(jù)權(quán)力要求1所述的微等離子體弧放電催化水處理方法，其特征在于，所述的陽極電極為鈦金屬、鈦合金、摻雜銀或鐵或鎢的鈦。
4.根據(jù)權(quán)力要求1所述的微等離子體弧放電催化水處理方法，其特征在于，所述的陽極電極形狀為針狀或板狀。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境工程廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及等離子體弧放電催化水處理方法，是將電解質(zhì)以一定濃度要求加入到待處理的水溶液中，對反應(yīng)體系施加脈沖直流電壓，使陽電極極表面能夠原位生成負載型催化劑進行放電催化，達到有機廢水的降解處理的目的。本發(fā)明的有益效果是，該放電催化體系具有協(xié)同效果好、有機廢水的降解處理能效高、反應(yīng)器設(shè)計要求簡單等特點，是一種有發(fā)展前景的水處理新技術(shù)。
文檔編號C02F1/461GK1948172SQ20061013427
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月11日
發(fā)明者嚴志宇, 嚴志軍 申請人:大連海事大學