專利名稱：一種電脈沖微型等離子體水處理方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子物理與等離子化學(xué)相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種電脈沖微型等離子體水處理方法和設(shè)備。
本發(fā)明的解決技術(shù)方案是先在水中放入顆粒狀金屬載荷，然后對其施加電脈沖，在金屬顆粒間放電形成微型等離子體，金屬顆粒被放電刻蝕和氧化，生成具有很強(qiáng)絮凝作用和極化吸引作用的金屬氫氧化物和金屬氧化物，水中中性化和極化了的雜質(zhì)微粒被金屬氫氧化物和金屬氧化物所絮凝和吸附，最后形成沉渣從水中去除。電脈沖是由依次施加的電壓脈沖和電流脈沖組成，電壓脈沖的電壓值為800-1000V，電壓脈沖的電流值為150-300A，電流脈沖的電壓值為100-300V，電腦脈沖的電流值為500-1500A。電流脈沖與電壓脈沖的能量比為0.1-10。設(shè)備由反應(yīng)器(10)和電流脈沖發(fā)生器(21)組成。反應(yīng)器(10)內(nèi)的支撐板(2)的上部設(shè)有放電反應(yīng)室(7)，下部為進(jìn)水室(11)。放電反應(yīng)室(7)內(nèi)設(shè)有的兩個電極板(8)之間由電極隔板(4)分隔。金屬顆粒(6)放置在放電反應(yīng)室(7)內(nèi)，反應(yīng)器(10)上的兩根電源線(3、9)與電流脈沖發(fā)生器(21)的輸出端(15、16)相連接，電流脈沖發(fā)生器(21)由工作箱以及安裝在工作箱內(nèi)的電流脈沖發(fā)生器電路組成。電流脈沖發(fā)生器電路由整流濾波電路(26)和脈沖形成電路(28)組成，脈沖形成電路(28)中可控硅(11、12、13、14)采用并聯(lián)方式連接。
在本發(fā)明中，上述的各項特征是靠如下措施具體解決實現(xiàn)的污水是在一個裝有顆粒狀金屬載荷的放電反應(yīng)室內(nèi)通過電脈沖微型等離子體進(jìn)行加工處理的。要依次施加一個電壓脈沖和一個電流脈沖。電流脈沖和電壓脈沖的能量比可在0.1-10的范圍內(nèi)變化。電壓脈沖的電壓值為800-1000V、電壓脈沖的電流值為150-300A 電流脈沖的電壓值為100-300V、電流脈沖的電流值為500-1500A。這時由于電脈沖微型等離子體所產(chǎn)生的局域高溫、壓強(qiáng)、電磁場、紫外線輻射、激波等，在水中形成了大量的化學(xué)活性很高的離子，其中包括原子態(tài)的氫和氧，以及其激發(fā)態(tài)的分子和自由基，為使水中雜質(zhì)的高度解離、氧化、還原和中性化創(chuàng)造了條件。雜質(zhì)分子的微結(jié)構(gòu)被破壞，彌散在水中；同時對金屬顆粒的電脈沖刻蝕和氧化，形成了它們的氧化物和氫氧化物，后者在絮凝過程中吸附了中性化雜質(zhì)，最后形成沉淀沉渣從水中濾除?？梢?，這種方法不僅可保障得到有效的絮凝作用，同時還可形成有很強(qiáng)吸附特性的晶體結(jié)構(gòu)化合物，從而可使水得到充分地凈化。
經(jīng)過上述的物理和化學(xué)處理所形成的沉渣具有特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，其固相密度可達(dá)5-6kg/m3，它的體積要比通常的小2-3倍。沉渣的85-90％是金屬氧化物，其中被固化的污染物質(zhì)只占3-5％，因此這種沉渣可作為生產(chǎn)化學(xué)催化劑、染料和制造陶瓷、磚和水泥添加劑等的珍貴原料。
在本發(fā)明方法中，由于局域高溫、高壓強(qiáng)、電磁場、紫外線輻射、激波以及放電生成的臭氧等都具有很強(qiáng)的殺菌功能，因此能夠在去除污水雜質(zhì)過程的同時實行高效地殺菌。
在本發(fā)明方法中所使用的復(fù)合式脈沖，既有高電壓小電流區(qū)域，又有低電壓大電流區(qū)域，可根據(jù)處理水的需要進(jìn)行選擇。對含有不同污染物的污水進(jìn)行電脈沖微型等離子體處理的實驗研究結(jié)果表明，能夠?qū)Σ煌鬯M(jìn)行有效處理的電流脈沖和電壓脈沖的能量比在0.1-10之間。通過改變電流脈沖和電壓脈沖的能量比就可以改變形成的金屬氫氧化物和金屬氧化物的相成分，進(jìn)而能夠控制水處理效果。
在高電壓低電流區(qū)域，當(dāng)采用金屬顆粒(6)做負(fù)載時，主要形成的是二價的鐵離子及其氧化物FeO、Fe2O3、Fe3O4和FeOOH。它們具有很強(qiáng)的氧化和吸收表面，有利于從水中萃取重金屬、有毒元素、放射性元素和硬鹽等雜物。在低電壓高電流區(qū)域，主要形成金屬氫氧化物Fe(OH)2和Fe(OH)3。它們具有高度發(fā)達(dá)的絮凝結(jié)構(gòu)，能充分清除水中的石油、油脂、表面活性物質(zhì)和微生物。當(dāng)電流脈沖和電壓脈沖的能量比低于0.1時，水處理效果下降；而高于10時能耗急劇增大，這是由于水被加熱造成的。
污水的處理是借助于相繼施加一個高壓脈沖和一個電流脈沖進(jìn)行的。在脈沖放電開始的初始階段，所加高壓脈沖的電壓為800-1000V，以保證污水中金屬顆粒之間的穩(wěn)定擊穿。一般在被處理的污水中含有鹽、酸、堿等電解質(zhì)，污水的電導(dǎo)率很高。當(dāng)電壓低于800V時，由于在這種高電導(dǎo)的水溶液中放電通道會分裂和衰減，所以實現(xiàn)脈沖放電很困難；當(dāng)電壓高于1000V時，將使處理過程和設(shè)備進(jìn)入高電壓工作的狀態(tài)，由此提高了水處理的成本。電壓脈沖的電流為150-300A。當(dāng)電流低于150A時，污水處理效果不好，其原因是對金屬顆?？涛g性降低；當(dāng)電流高于300A時，脈沖的部分能量開始損耗在金屬的汽化上，同樣降低了污水處理效果。在脈沖放電開始的后續(xù)階段，水的處理是借助于施加強(qiáng)電流脈沖進(jìn)行的，放電電壓維持在100-300V。當(dāng)電壓低于100V時，會降低污染物解離的強(qiáng)度和氧化物還原反應(yīng)的速度；當(dāng)電壓高于300V時，歐姆熱損失增大，導(dǎo)致能量的有效利用系數(shù)降低。強(qiáng)電流脈沖的電流為500-1500A。當(dāng)電流低于500A時，在放電初始階段刻蝕下來的金屬來不能有效地同水中其它離子發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)電流高于150A時，將導(dǎo)致被處理水的過熱，產(chǎn)生不必要的能量損失。
在放電反應(yīng)室(7)里電極板(8)和被隔開的空間應(yīng)該這樣安排布置在對應(yīng)的兩個電級板(8)上任意一對等高點之間的放電間隙的距離相等，以此來保證電磁場的均勻性，即在整個電極板(8)表面上電流密度相等。電極板(8)是由電介質(zhì)的電極隔板(4)分開的，通過電極隔板(4)間通道注入要處理的水。每個電極隔板(4)的高度應(yīng)該與電極板(8)的頂端等高。電極隔板(4)的間距應(yīng)該根據(jù)金屬顆粒(6)的尺度和工作電壓來決定(對于粒度為5-10mm的顆粒和工作電壓600-800V，電極隔板(4)的間隔在80-100mm之間)。
電極板(8)可通過金屬顆粒(6)層的保護(hù)防止電蝕，從而延長了它們的使用壽命而不用更換。工作材料(鐵屑、鐵礦砂、車邊廢料等)根據(jù)它們的消耗情況可連續(xù)地被投入放電反應(yīng)室(7)。要處理的水通過水泵經(jīng)過入水口(1)進(jìn)水室(11)和入水通道(5)泵入放電反應(yīng)室(7)，被刻蝕下來的金屬微粒被水氧化形成金屬氫氧化物或金屬氧化物。在放電反應(yīng)室里發(fā)生還原反應(yīng)。通過這些反應(yīng)，污染物被中和，被中和后的污染物又部分地被金屬氫氧化物或金屬氧化物絮凝和吸收。放電反應(yīng)室(7)是在連續(xù)的自動化的狀態(tài)下工作的，根據(jù)處理水的流量和污染物的濃度自動地調(diào)節(jié)放電功率，以保證出口處的水符合凈化指標(biāo)。
反應(yīng)器(10)是采用模塊式設(shè)計的。它可以由一個、兩個或多個模塊組裝而成。做反應(yīng)器(10)的材料是聚丙乙烯或其它介電材料。每個模塊上都裝有投料系統(tǒng)和水流量控制系統(tǒng)。
本發(fā)明專利中所設(shè)計采用的脈沖電流發(fā)生器電路，其最大參數(shù)為脈沖電壓100KV，脈沖電流1500A，脈寬100μS，脈沖能量20J，脈沖頻率2000Hz。這些參數(shù)都是我們通過大量實驗確定下來的。
電流脈沖發(fā)生器電路由整流濾波電路(26)和脈沖形成電路(28)組成，脈沖形成電路(28)中可控硅(11、12、13、14)采用并聯(lián)方式連接。
電流脈沖發(fā)生器電路工作過程如下1、整流濾波電路(26)工作過程三相電經(jīng)橋式二級管(27)、充電遏流圈(22)和濾波電容(23)、整流輸出直流電壓(流)至脈沖形成電路(28)。
2、脈沖形成電路工作過程可控硅是由時序觸發(fā)信號(VDR1、VDR2、VDR3、VDR4)控制的。首先由時序觸發(fā)信號(VDR1)使可控硅(12)導(dǎo)通，使充電電容(20)充電，再由時序觸發(fā)信號(VDR2)使可控硅(13)導(dǎo)通，充電電容(20)放電，完成一充放電過程。
由時序觸發(fā)信號(VDR3)導(dǎo)通可控硅(11)，使充電電容(17)充電，再由時序觸發(fā)信號(VDR4)導(dǎo)通可控硅(14)，充電電容(17)放電，完成二充放電過程。
上述兩過程是交替進(jìn)行的，放電后在放電反應(yīng)室(7)產(chǎn)生的剩余能量通過二極管(18、19)對充電電容(17、20)充電，以利用該剩余能量和縮短下一過程的充電時間。
可控硅(11、12、13、14)參數(shù)根據(jù)電路輸出功率而定，其中一個參數(shù)之一要求dI/dt＝500A/μS以上。二級管(18、19)選擇高速脈沖二級管，充電電容(17、20)選擇無感電容。
電流脈沖發(fā)生器(21)的特點是可以形成電流脈沖，可以滿足處理各類污水的需要。對某一特定的污水的處理時，必須優(yōu)化電流脈沖發(fā)生器(21)的調(diào)協(xié)參數(shù)，形成所需要的電流脈沖。電流脈沖發(fā)生器(21)的調(diào)協(xié)參數(shù)包括脈沖能量、電壓、脈沖電流和它的上升速度(dI/dt)。依賴于調(diào)協(xié)參數(shù)來形成金屬氫氧化物或金屬氧化物的物理化學(xué)特性，提高對特定污染物的吸收性能，以得到最佳的處理效果。
為了清除污水中的重金屬、放射性物質(zhì)和有毒金屬，必須生成具有鐵氧體特性結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。為此，形成的電流脈沖必須具有高的肪沖能量和大的脈沖電流，但電壓低、電流上升速度慢和脈沖寬。例如W＝20J，Iu＝1000A，Uu＝500V，dI/dt＝107-108A/S，τ＝50-70μS。
為了清除污水中的有機(jī)物質(zhì)、油、鹽以及其它陰離子，必須生成具有絮凝結(jié)構(gòu)的金屬氫氧化物。為此，必須形成這樣的電流脈沖脈沖能量低、脈沖電流小、電壓高、電流上升速度快和脈沖窄。例如W＝5J，Iu＝500A，Uu＝800V，dI/dt＝108-109A/S，τ＝30-40μS。
發(fā)生器的輸出功率可通過電流脈沖的頻率進(jìn)行調(diào)整，它決定水的凈化效率。
電流脈沖發(fā)生器的電路的特點是采用并聯(lián)可控硅(11、12、13、14)以保證通過并聯(lián)電路電流強(qiáng)制切斷已被打開的可控硅。以此保證可控硅開關(guān)工作更加可靠，保證在可控硅斷開時無論反應(yīng)器的電阻有多大電路都會被可靠地切斷。另一個特點是在并聯(lián)的可控硅線路中工作電容的充電和放電交替進(jìn)行形成所需電流脈沖，避免了在單一線路中串聯(lián)可控硅同時開斷的缺點。
采用了反逆向的二極管(18、19)，可利用反應(yīng)器(10)中沒有完全釋放的能量對充電電容(17、20)輔助充電，使脈沖能量的有效利用系數(shù)提高了15-20％。
這些措施保證了水處理設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性，保證了在不更換電極元件的情況下，反應(yīng)器(10)能在自動化狀態(tài)下維持長時間的工作。
電流脈沖發(fā)生器(21)安裝在一個獨立的工作箱里，用兩根導(dǎo)線通過電流脈沖發(fā)生器(21)輸出端15、16與反應(yīng)器(10)輸入端3、9相連。
本發(fā)明的有益效果是在進(jìn)行污水處理時，無需任何化學(xué)添加劑、原材料廉價、處理過程簡單、無廢棄物、容易實現(xiàn)控制和自動化；它縮短了水處理時間，極大地減少了能耗。能得到不富含鹽的負(fù)離子酸根的潔凈水。同時，沉渣還具有各種有益的物理化學(xué)性質(zhì)，可用來作為生產(chǎn)化學(xué)催化劑、染料和制造陶瓷、磚和水泥添加劑等的珍貴原料。


圖1是本發(fā)明的反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的電流脈沖發(fā)生器電路的原理圖。
圖3是本發(fā)明的電流脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1.入水口，2.支撐板，3.電源線，4.電極隔板，5.入水通道，6.金屬顆粒，7.放電反應(yīng)室，8.電極板，9.電源線，10.反應(yīng)器，11.可控硅，12.可控硅，13.可控硅，14.可控硅，15.電源輸出端，16.電源輸出端，17.充電電容，18.二級管，19.二級管，20.充電電容，21.電流脈沖發(fā)生器，22.充電遏流圈，23.濾波電容，24.限流電感，25.限流電感，26.整流濾波電路，27.二級管，28.脈沖形成電路。
電脈沖微型等離子體處理污水方法的有效性可由以下實驗結(jié)果和指標(biāo)來證明。水中重金屬離子污染物(Cr6+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+)降低了95-99％；有毒金屬(Be、As)降低了97-98％；表面活性物質(zhì)、磷酸鹽、有毒化學(xué)物質(zhì)降低了70-90％。地表水源色度降低了90％、濁度降低了100％、鐵和硅降低了70-75％、氧降低了50％、水的總硬度降低了2到3倍。
驗證參數(shù)指標(biāo)的幾個實驗實驗是在三種脈沖狀態(tài)下進(jìn)行的，在每種狀態(tài)下，處理水的流量、雜質(zhì)濃度、以及脈沖發(fā)生器(10)輸出功率都是相同的。污水處理的效果是根據(jù)處理前后水中雜質(zhì)濃度的變化和脈沖能量的有效利用系數(shù)來評價的。
實驗一脈沖參數(shù)低于所申報的參數(shù)范圍脈沖能量——0.07J高壓脈沖的電壓和電流——700V，130A；強(qiáng)流脈沖的電壓和電流——80V，400A；雜質(zhì)的處理效果——83％能量有效利用系數(shù)——0.68。實驗二脈沖參數(shù)高于所申報的參數(shù)范圍脈沖能量——1.5J高壓脈沖的電壓和電流——1200V，350A；強(qiáng)流脈沖的電壓和電流——400V，1800A；雜質(zhì)的處理效果——89％能量有效利用系數(shù)——0.51。實驗三脈沖參數(shù)在所申報的參數(shù)范圍脈沖能量——2.5J高壓脈沖的電壓和電流——900V，230A；強(qiáng)流脈沖的電壓和電流——200V，1000A；雜質(zhì)的處理效果——98％能量有效利用系數(shù)——0.85。
權(quán)利要求
1.一種電脈沖微型等離子體水處理方法，其特征在于采用下述步驟先在水中放入顆粒狀金屬載荷，然后對其施加電脈沖，在金屬顆粒間放電形成微型等離子體，金屬顆粒被放電刻蝕和氧化，生成具有很強(qiáng)絮凝作用和極化吸引作用的金屬氫氧化物和金屬氧化物，水中中性化和極化了的雜質(zhì)微粒被金屬氫氧化物和金屬氧化物所絮凝和吸附，最后形成沉渣從水中去除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電脈沖微型等離子體水處理方法，其特征是電脈沖是由依次施加的電壓脈沖和電流脈沖組成，電壓脈沖的電壓值為800-1000V，電壓脈沖的電流值為150-300A，電流脈沖的電壓值為100-300V，電腦脈沖的電流值為500-1500A。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電脈沖微型等離子體水處理方法，其特征是電流脈沖與電壓脈沖的能量比為0.1-10。
4.一種實施權(quán)利要求1所述的一種電脈沖微型等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是它由反應(yīng)器(10)和電流脈沖發(fā)生器(21)組成，反應(yīng)器(10)內(nèi)的支撐板(2)的上部設(shè)有放電反應(yīng)室(7)，下部為進(jìn)水室(11)，放電反應(yīng)室(7)內(nèi)設(shè)有的兩個電極板(8)之間由電板隔板(4)分隔，金屬顆粒(6)放置在放電反應(yīng)室(7)內(nèi)，反應(yīng)器(10)上的兩根電源線(3、9)與電流脈沖發(fā)生器(21)的輸出端(15、16)相連接，電流脈沖發(fā)生器(21)由工作箱以及安裝在工作箱內(nèi)的電流脈沖發(fā)生器電路組成，電流脈沖發(fā)生器電路由整流濾波電路(26)和脈沖形成電路(28)組成，脈沖形成電路(28)中可控硅(11、12、13、14)采用并聯(lián)方式連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種電脈沖微型等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是，反應(yīng)器(10)中，電極隔板(4)的高度與兩個電極板(8)的頂端高度相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種電脈沖微型等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是，兩個電極板(8)之間的角度為110-160°。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5、6所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種電脈沖微型等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是，在反應(yīng)器(10)中，電極隔板(4)、金屬顆粒(6)和電極板(8)所占容積為放電反應(yīng)室(7)的1/5。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種實施權(quán)利要求1所述的一種電脈沖微型等離子體水處理方法的設(shè)備，其特征是，電流脈沖發(fā)生器(21)中的電流脈沖發(fā)生器電路中，采用了遞向二級管(18、19)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用電脈沖微型等離子體處理污水的方法和設(shè)備。該方法設(shè)備可根據(jù)凈化指標(biāo)的要求控制污水的處理過程，該方法是將污水放置在一個裝有金屬載荷的反應(yīng)器內(nèi)，通過依次施加電脈沖來實現(xiàn)的，設(shè)備由反應(yīng)器和電流脈沖發(fā)生器組成，使用該方法及設(shè)備可以去除水中所含的物理化學(xué)和微生物等污染物，其中包括各種重金屬、石化生產(chǎn)排放物、潤滑冷卻劑、有機(jī)物、毒素、微生物，細(xì)菌、放射性元素以及其它污染物。該技術(shù)可用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、及社會公共事業(yè)等領(lǐng)域中的供水和污水處理。
文檔編號C02F1/48GK1459421SQ03111599
公開日2003年12月3日 申請日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者馬騰才, 郭淑紅, 徐汝波 申請人:大連動靜科技有限公司