專(zhuān)利名稱(chēng)：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(guò)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(duì)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(jìn)有機(jī)分子分解，因而成為污染處理技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
高壓脈沖放電與催化協(xié)同在含揮發(fā)性有機(jī)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(guó)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(lái)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(lèi)似Fenton試劑，在等離子體放電火花的協(xié)同作用下促進(jìn)有機(jī)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(jìn)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(fù)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(jiàn)報(bào)道。研究、開(kāi)發(fā)新型液下電極表面的放電催化水處理技術(shù)是本項(xiàng)目的目的。
微等離子弧放電技術(shù)是在導(dǎo)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(guò)復(fù)雜的電化學(xué)、等離子體化學(xué)和熱化學(xué)過(guò)程原位生長(zhǎng)氧化物陶瓷膜層，以此完成對(duì)陽(yáng)極表面的改性[13，14]，是材料學(xué)領(lǐng)域新發(fā)展的材料表面改性技術(shù)。
在對(duì)其放電特性的考察中，本項(xiàng)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(diǎn)，能形成更好的TiO2催化環(huán)境。首先從放電模式來(lái)看[15]，微等離子體技術(shù)具有類(lèi)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(yáng)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(chǎng)作用下，如紫外光、超聲波、電場(chǎng)等，能經(jīng)由電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而起到催化作用，因此，利用TiO2催化作用進(jìn)行水處理一直都是研究熱點(diǎn)。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(duì)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(yáng)極進(jìn)行微等離子體放電，原位形成有催化作用的陶瓷層，并同時(shí)對(duì)模擬有機(jī)廢水進(jìn)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(duì)反應(yīng)體系施加脈沖直流電壓，使陽(yáng)電極極表面能夠原位生成負(fù)載型催化劑進(jìn)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(yáng)極電極為鈦金屬、鈦合金、摻雜銀或鐵或鎢的鈦，陽(yáng)極電極間距為2mm-1000mm，插入液體中的陽(yáng)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(shí)間為20分鐘-4小時(shí)；該方法可分為靜態(tài)處理和動(dòng)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(dòng)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(kāi)通風(fēng)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(shí)取樣化驗(yàn)水質(zhì)的變化，按預(yù)先的計(jì)算處理時(shí)間，并結(jié)合化驗(yàn)的結(jié)果，確定處理結(jié)束時(shí)間；動(dòng)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(yàn)的結(jié)果，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)牧髁?，使處理效果滿(mǎn)足要求；8)處理結(jié)束時(shí)，對(duì)動(dòng)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(fēng)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(yáng)極電極為鈦合金、摻雜銀或鐵或鎢的鈦。陽(yáng)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(jī)廢水的降解處理能效高、反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是一種有發(fā)展前景的水處理新技術(shù)。


圖1是實(shí)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(fù)極，4、示波器，5、陽(yáng)極電極，6、陰極電極，7、電解液，8、反應(yīng)池。
具體實(shí)施例方式
如圖1，放電催化水處理的實(shí)驗(yàn)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(fù)極3、示波器4、陽(yáng)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(yáng)極電極5相連，負(fù)極3和陰極電極6相連，陽(yáng)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(xué)自行研制的金屬表面微弧氧化專(zhuān)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(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比來(lái)控制。實(shí)驗(yàn)電壓脈沖頻率為300Hz，占空比1∶180。陽(yáng)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(shí)驗(yàn)采用甲基橙配制模擬的染料廢水，因?yàn)檫@種水溶性偶氮染料是印染行業(yè)廢水處理的主要對(duì)象，且含有苯環(huán)，用化學(xué)和生物等方法處理該類(lèi)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(shí)驗(yàn)中記錄平均電流和峰值電壓的變化，用示波器4測(cè)量直流脈沖波型寬度。用日本島津紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)JascoUV550測(cè)廢水中最大吸收波長(zhǎng)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(jiàn)光纖光譜儀測(cè)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(duì)反應(yīng)體系施加脈沖直流電壓，使陽(yáng)電極極表面能夠原位生成負(fù)載型催化劑進(jìn)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(yáng)極電極為鈦金屬、鈦合金、摻雜銀或鐵或鎢的鈦，陽(yáng)極電極間距為2mm-1000mm，插入液體中的陽(yáng)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(shí)間為20分鐘-4小時(shí)，該方法可分為靜態(tài)處理和動(dòng)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(dòng)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(kāi)通風(fēng)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(shí)取樣化驗(yàn)水質(zhì)的變化，按預(yù)先的計(jì)算處理時(shí)間，并結(jié)合化驗(yàn)的結(jié)果，確定處理結(jié)束時(shí)間；動(dòng)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(yàn)的結(jié)果，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)牧髁?，使處理效果滿(mǎn)足要求；8)處理結(jié)束時(shí)，對(duì)動(dòng)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(fēng)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(yáng)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(yáng)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(duì)反應(yīng)體系施加脈沖直流電壓，使陽(yáng)電極極表面能夠原位生成負(fù)載型催化劑進(jìn)行放電催化，達(dá)到有機(jī)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(jī)廢水的降解處理能效高、反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是一種有發(fā)展前景的水處理新技術(shù)。
文檔編號(hào)C02F1/461GK1948172SQ20061013427
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)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(yán)志宇, 嚴(yán)志軍 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)