專利名稱：高壓脈沖放電等離子體水處理裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種污水處理設(shè)備，具體涉及一種高壓脈沖放電等離子體水處理裝置。本發(fā)明還涉及一種高壓脈沖放電等離子體水處理方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的利用放電等離子體對(duì)污水進(jìn)行處理或?qū)︼嬘盟M(jìn)行消毒殺菌處理的方法和技術(shù)中，大多數(shù)是采用先在氣體中放電產(chǎn)生等離子體，然后將含有臭氧等的氣體充入水中的方法。由于放電氣體中大部分活性粒子的壽命很短，其氧化作用無(wú)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(duì)水中雜質(zhì)的活化、極化和中性化作用并不產(chǎn)生很大影響，從而導(dǎo)致了這些方法水處理效率低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，它可以有效去除水中的高濃度有機(jī)物。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明高壓脈沖放電等離子體水處理裝置的技術(shù)解決方案為包括高頻高壓電源、反應(yīng)器、高壓電極、放電介質(zhì)、地電極；高頻高壓電源連接高壓電極；高壓電極固定設(shè)置于反應(yīng)器內(nèi)，放電介質(zhì)設(shè)置于反應(yīng)器的底部；放電介質(zhì)的底部設(shè)置地電極，地電極接地。所述高壓電極包括玻璃容器、高壓線、高電導(dǎo)率的溶液，高電導(dǎo)率溶液盛裝于玻璃容器中，高壓線的一端固定設(shè)置于玻璃容器內(nèi)，高壓線該端外露的導(dǎo)電部分浸沒(méi)于玻璃容器內(nèi)的溶液液面以下；高壓線的另一端連接所述高頻高壓電源；高壓線與高電導(dǎo)率溶液構(gòu)成高壓電位。所述玻璃容器的底部直徑小于中間位置的直徑。所述反應(yīng)器內(nèi)盛裝待處理污水，玻璃容器的底部為平面且置于反應(yīng)器內(nèi)的待處理污水液面以下。所述放電介質(zhì)的面積比反應(yīng)器的橫截面積大；所述地電極的面積大于放電介質(zhì)的面積。所述放電介質(zhì)的厚度為2 8mm。所述反應(yīng)器設(shè)有進(jìn)出水口，進(jìn)出水口所在的管道上分別設(shè)有閥門(mén)；反應(yīng)器的進(jìn)水口連接污水存儲(chǔ)罐下部的出水口 ；所述進(jìn)水口設(shè)置于反應(yīng)器的下部；出水口設(shè)置于反應(yīng)器的上部。本發(fā)明還提供一種高壓脈沖放電等離子體水處理方法，其技術(shù)解決方案為包括如下步驟第一步，使污水存儲(chǔ)罐內(nèi)的水流入反應(yīng)器；當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的污水流速穩(wěn)定、液面保持恒定時(shí)，打開(kāi)高頻高壓電源，高壓迅速在高壓電極與地電極之間建立；
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第二步，當(dāng)高壓電極的玻璃容器與污水液面之間的氣隙上的高頻電壓達(dá)到放電起始電壓時(shí)，氣隙中發(fā)生介質(zhì)阻擋放電，在放電期間使氣隙上的電壓保持恒定；高頻電壓電源產(chǎn)生脈沖電壓，對(duì)污水負(fù)載進(jìn)行放電，對(duì)污水進(jìn)行處理。所述使反應(yīng)器內(nèi)的污水流速穩(wěn)定、液面保持恒定的方法是使污水存儲(chǔ)罐的液面高于反應(yīng)器的最高液面，并保持污水存儲(chǔ)罐的液位恒定，使反應(yīng)器的進(jìn)水流速保持恒定；同時(shí)將出水口設(shè)置于反應(yīng)器的上部，使反應(yīng)器通過(guò)自然溢流的方法，將液位恒定于出水口的最低點(diǎn)附近。本發(fā)明可以達(dá)到的技術(shù)效果是本發(fā)明采用介質(zhì)阻擋放電形式，利用高頻電壓電源產(chǎn)生脈沖電壓，經(jīng)變壓器諧振產(chǎn)生高壓后，對(duì)污水負(fù)載進(jìn)行放電，介質(zhì)阻擋放電布滿了整個(gè)反應(yīng)器的空間，放電產(chǎn)生的等離子體由于高溫、高壓以及富含大量的離子、OH自由基等粒子，使在等離子體通道內(nèi)的有機(jī)物分子會(huì)被高溫完全熱解，并且在自由基的作用下發(fā)生高級(jí)氧化而化學(xué)降解。同時(shí)，由于高溫、高壓等離子體通道的產(chǎn)生，在強(qiáng)烈的紫外光及巨大的沖擊波作用下，等離子體通道區(qū)域及其外部的溶液中發(fā)生幾種物理化學(xué)過(guò)程，即紫外光光解、液電空化降解、超臨界水氧化降解等過(guò)程。在這些過(guò)程和反應(yīng)的協(xié)同作用下，有機(jī)物被降解，從而達(dá)到有效分解處理高濃度有機(jī)物廢水的目的。本發(fā)明能夠有效地去除水中所含的物理、化學(xué)和微生物等污染物，處理成本低廉， 尤其是針對(duì)水中高濃度有機(jī)物的去除效果明顯。本發(fā)明在進(jìn)行污水處理時(shí)，不需要添加化學(xué)試劑，處理過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)廢棄物和二次污染，同時(shí)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在提高水處理效率的同時(shí)，極大地減少了能耗。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明圖1是本發(fā)明高壓脈沖放電等離子體水處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是介質(zhì)阻擋放電負(fù)載等效模型的示意圖；圖3是所處理污水的流向圖。圖中附圖標(biāo)記說(shuō)明1為高頻高壓電源，2為反應(yīng)器，3為高壓電極，4為放電介質(zhì)，5為地電極。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，包括高頻高壓電源1、反應(yīng)器2、高壓電極3、放電介質(zhì)4、地電極5 ；放電介質(zhì)4設(shè)置于反應(yīng)器2的底部；放電介質(zhì)4的面積比反應(yīng)器2的橫截面積略大。放電介質(zhì)4的厚度為2 8mm。放電介質(zhì)4為硅橡膠。放電介質(zhì)4的厚度越大，放電電壓越高。放電介質(zhì)4的厚度根據(jù)不同的污水水質(zhì)和放電電壓而確定。根據(jù)不同性質(zhì)的污水，確定所需的放電電壓，然后確定放電介質(zhì)的厚度。例如，針對(duì)含苯酚的高濃度有機(jī)物廢水，所需放電電壓在8000V左右，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以確定介質(zhì)的厚度在5mm左右。地電極5設(shè)置于放電介質(zhì)4的底部；地電極5的面積略大于放電介質(zhì)4的面積；地電極5用于承載反應(yīng)器2，同時(shí)地電極5需要保證可靠接地，與大地同電位。地電極5為鐵板。反應(yīng)器2內(nèi)盛裝待處理污水，反應(yīng)器2為圓柱形。反應(yīng)器2用于污水存儲(chǔ)，同時(shí)在反應(yīng)器2內(nèi)進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)，使污水在反應(yīng)器2中被處理。反應(yīng)器2設(shè)有進(jìn)出水口，進(jìn)出水口所在的管道上分別設(shè)有閥門(mén)，通過(guò)控制進(jìn)出水管道上的閥門(mén)，可以得到所需的流速和流量。反應(yīng)過(guò)程中利用進(jìn)水和出水的流速以及流量控制，維持放電過(guò)程中的液位恒定。針對(duì)不同性質(zhì)的污水，可采用不同的流速。進(jìn)水口設(shè)置于反應(yīng)器2的下部，反應(yīng)器2的進(jìn)水口連接污水存儲(chǔ)罐下部的出水口， 污水存儲(chǔ)罐的液面高于反應(yīng)器的最高液面，反應(yīng)過(guò)程中保持污水存儲(chǔ)罐的液面恒定。出水口設(shè)置于反應(yīng)器2的上部，當(dāng)反應(yīng)器2內(nèi)的液位高于出水口的最低點(diǎn)時(shí)，反應(yīng)器2內(nèi)的污水將通過(guò)出水口流出。反應(yīng)器2設(shè)有多個(gè)出水口，并使出水管的直徑較大，以保證反應(yīng)器2的出水流速流量，通過(guò)自然溢流的方法，使反應(yīng)器2的液位恒定在出水口的最低點(diǎn)附近。高壓電極3連接高頻高壓電源1 ；高壓電極3固定設(shè)置于反應(yīng)器2內(nèi)，以保證安全。高壓電極3包括玻璃容器、高壓線、高電導(dǎo)率的溶液(如NaCl溶液)，高電導(dǎo)率溶液盛裝于玻璃容器中，高壓線的一端固定設(shè)置于玻璃容器內(nèi)，高壓線的另一端連接高頻高壓電源1 ；高壓線外露的導(dǎo)電部分浸沒(méi)于玻璃容器內(nèi)的溶液液面以下；高壓線與高電導(dǎo)率溶液構(gòu)成高壓電位。玻璃容器呈錐形，玻璃容器的底部直徑小于中間位置的直徑；玻璃容器的底部為平面且置于反應(yīng)器2內(nèi)的待處理污水液面以下；整個(gè)玻璃容器置于反應(yīng)器2內(nèi)。由于玻璃容器的底面浸沒(méi)于反應(yīng)器2內(nèi)的污水液面以下，玻璃容器的底部邊緣與污水液面之間存在氣隙。由于玻璃容器的底部直徑小于中間位置的直徑，當(dāng)被處理污水的液面高于玻璃容器的底部并低于玻璃容器中間位置的最大直徑處，該氣隙總是存在。本發(fā)明反應(yīng)器2下部的進(jìn)水口與污水存儲(chǔ)罐連通，污水存儲(chǔ)罐內(nèi)的污水在水的壓力下自動(dòng)流入反應(yīng)器2內(nèi)，由于污水存儲(chǔ)罐的液面恒定，故水壓恒定，因而進(jìn)水最大流速恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水管道的閥門(mén)，可以控制進(jìn)水流速。本發(fā)明通過(guò)保持污水存儲(chǔ)罐的液位恒定，使反應(yīng)器2的進(jìn)水流速保持恒定；同時(shí)將出水口設(shè)置于反應(yīng)器2的上部，使反應(yīng)器2通過(guò)自然溢流的方法，將液位恒定于出水口的最低點(diǎn)附近。由此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)器2內(nèi)的液位恒定。本發(fā)明的液位控制方法簡(jiǎn)單實(shí)用，不需要機(jī)械、電磁等設(shè)備元件，避免了在高壓放電、氣霧場(chǎng)合下某些機(jī)械電磁設(shè)備的不可靠和失效現(xiàn)象，同時(shí)保證了安全可靠的液位控制。如果反應(yīng)器2內(nèi)的液位高低發(fā)生變化，或者因水的流動(dòng)而造成的液面波動(dòng)都會(huì)影響反應(yīng)器的等效阻抗，因此需要保持反應(yīng)器的等效阻抗相對(duì)恒定。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器2 內(nèi)的液位恒定，能夠在介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)過(guò)程中，保證放電的持續(xù)、穩(wěn)定。高頻高壓電源1為高頻高壓脈沖等離子體電源，用于產(chǎn)生0 20kV的高壓交流電，其輸出頻率通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載諧振頻率的閉環(huán)跟蹤。
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本發(fā)明在高壓介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行處理的過(guò)程中，被處理的水以及與其保持連通的水路與其他水路斷開(kāi)，即被處理的水是獨(dú)立的；而在處理間歇，高壓電源關(guān)機(jī)，無(wú)高壓存在時(shí)，其他水路與被處理的水相連通，用于給盛裝待處理水的水池供水，以滿足下一次高壓放電處理的需要。如圖4所示，虛線和實(shí)線分別為不同的水流路徑，當(dāng)虛線所在路徑開(kāi)通時(shí)，實(shí)線所在路徑不通，反之亦然。這樣可以保證在高壓放電處理時(shí)，僅僅處于虛線框內(nèi)的部分有高壓存在。處理間歇，水流路徑由實(shí)線轉(zhuǎn)為虛色線(或反之)，從而保證下次的正常高壓處理。本發(fā)明高壓脈沖放電等離子體水處理方法如下打開(kāi)反應(yīng)器2的進(jìn)水閥，使污水存儲(chǔ)罐內(nèi)的水通過(guò)進(jìn)水口流入反應(yīng)器2 ；當(dāng)反應(yīng)器 2內(nèi)的污水流速穩(wěn)定、液面保持恒定時(shí)，打開(kāi)高頻高壓電源1，高壓迅速在高壓電極3與地電極5之間建立；如圖1所示，反應(yīng)器2內(nèi)的污水液面恒定于高壓電極3的底部以上，而在高壓電極 3的最大直徑以下。當(dāng)高壓電極3的玻璃容器與污水液面之間的氣隙上的高頻電壓達(dá)到放電起始電壓(一般為6000V左右)時(shí)，氣隙中的電子從電場(chǎng)中獲得足夠的能量，通過(guò)碰撞使周圍的原子和分子電離，氣隙中的氣體被擊穿。由于絕緣的放電介質(zhì)4的存在，限制了放電電流的自由增長(zhǎng)，因此也阻止了電極間火花和弧光的形成，氣隙中發(fā)生介質(zhì)阻擋放電；在放電期間氣隙上的電壓近似保持恒定，為放電維持電壓UT。這時(shí)，高壓等離子體污水處理電源負(fù)載等效模型可以由多個(gè)非線性變化的電容電路并聯(lián)來(lái)等效。如圖3所示， 其中，Cg和Rg為氣隙等效電容和電阻，Cd為介質(zhì)等效電容，Ls為高頻高壓變壓器的漏感， Ca為測(cè)量電容。其中負(fù)載等效電路的參數(shù)無(wú)法進(jìn)行直接測(cè)量，但可以利用利薩如圖形進(jìn)行估算。本發(fā)明在放電過(guò)程中，氣隙上的電壓近似保持在放電維持電壓Ut，因而，整個(gè)放電過(guò)程放電電壓能保持基本穩(wěn)定，在污水流動(dòng)的實(shí)際處理場(chǎng)合，也可以長(zhǎng)時(shí)間不間斷的穩(wěn)定工作。針對(duì)不同污水，配置不同的介質(zhì)，放電電壓在7 20kV間某個(gè)電壓值就能開(kāi)始出現(xiàn)介質(zhì)阻擋放電現(xiàn)象。在高壓電極與被處理污水的界面，能看到明顯的放電現(xiàn)象，肉眼能觀察到顯著的紫色放電區(qū)域，且有大量的臭氧產(chǎn)生。在整個(gè)放電過(guò)程中，僅有連續(xù)的細(xì)微的放電聲響。整個(gè)過(guò)程安全、穩(wěn)定、可靠。本發(fā)明用于處理高濃度的自制苯酚水樣，用化學(xué)需氧量(COD)作為測(cè)試指標(biāo)，用于表征污水處理的效果。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。
權(quán)利要求
1.一種高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于包括高頻高壓電源、反應(yīng)器、 高壓電極、放電介質(zhì)、地電極；高頻高壓電源連接高壓電極；高壓電極設(shè)置于反應(yīng)器內(nèi)，放電介質(zhì)設(shè)置于反應(yīng)器的底部；放電介質(zhì)的底部設(shè)置地電極，地電極接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述高壓電極包括玻璃容器、高壓線、高電導(dǎo)率的溶液，高電導(dǎo)率溶液盛裝于玻璃容器中，高壓線的一端固定設(shè)置于玻璃容器內(nèi)，高壓線該端外露的導(dǎo)電部分浸沒(méi)于玻璃容器內(nèi)的溶液液面以下；高壓線的另一端連接所述高頻高壓電源；高壓線與高電導(dǎo)率溶液構(gòu)成高壓電位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述玻璃容器的底部直徑小于中間位置的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述反應(yīng)器內(nèi)盛裝待處理污水，玻璃容器的底部為平面且置于反應(yīng)器內(nèi)的待處理污水液面以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述放電介質(zhì)的面積比反應(yīng)器的橫截面積大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述地電極的面積大于放電介質(zhì)的面積。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述放電介質(zhì)的厚度為2 8mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，其特征在于所述反應(yīng)器設(shè)有進(jìn)出水口，進(jìn)出水口所在的管道上分別設(shè)有閥門(mén)；反應(yīng)器的進(jìn)水口連接污水存儲(chǔ)罐下部的出水口 ；所述進(jìn)水口設(shè)置于反應(yīng)器的下部；出水口設(shè)置于反應(yīng)器的上部。
9.一種高壓脈沖放電等離子體水處理方法，其特征在于包括如下步驟第一步，使污水存儲(chǔ)罐內(nèi)的水流入反應(yīng)器；當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的污水流速穩(wěn)定、液面保持恒定時(shí)，打開(kāi)高頻高壓電源，高壓迅速在高壓電極與地電極之間建立；第二步，當(dāng)高壓電極的玻璃容器與污水液面之間的氣隙上的高頻電壓達(dá)到放電起始電壓時(shí)，氣隙中發(fā)生介質(zhì)阻擋放電，在放電期間使氣隙上的電壓保持恒定；高頻電壓電源產(chǎn)生脈沖電壓，對(duì)污水負(fù)載進(jìn)行放電，對(duì)污水進(jìn)行處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高壓脈沖放電等離子體水處理裝置的使用方法，其特征在于所述使反應(yīng)器內(nèi)的污水流速穩(wěn)定、液面保持恒定的方法是使污水存儲(chǔ)罐的液面高于反應(yīng)器的最高液面，并保持污水存儲(chǔ)罐的液位恒定，使反應(yīng)器的進(jìn)水流速保持恒定；同時(shí)將出水口設(shè)置于反應(yīng)器的上部，使反應(yīng)器通過(guò)自然溢流的方法，將液位恒定于出水口的最低點(diǎn)附近。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高壓脈沖放電等離子體水處理裝置，包括高頻高壓電源、反應(yīng)器、高壓電極、放電介質(zhì)、地電極；高頻高壓電源連接高壓電極；高壓電極固定設(shè)置于反應(yīng)器內(nèi)，放電介質(zhì)設(shè)置于反應(yīng)器的底部；放電介質(zhì)的底部設(shè)置地電極，地電極接地。本發(fā)明能夠有效地去除水中所含的物理、化學(xué)和微生物等污染物，處理成本低廉，尤其是針對(duì)水中高濃度有機(jī)物的去除效果明顯。本發(fā)明在進(jìn)行污水處理時(shí)，不需要添加化學(xué)試劑，處理過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)廢棄物和二次污染，同時(shí)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在提高水處理效率的同時(shí)，極大地減少了能耗。本發(fā)明還公開(kāi)了一種高壓脈沖放電等離子體水處理方法。
文檔編號(hào)C02F1/46GK102211800SQ20101013808
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者吳軍, 徐欣 申請(qǐng)人:上海晶園環(huán)?？萍加邢薰?