专利名称：一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子体物理与等离子体化学相结合的应用技术领域，特别是一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法和设备。
背景技术：
在现有的利用放电等离子体对污水进行处理或对饮用水进行消毒杀菌处理的方法和技术中，大多是采用先在气体中放电产生等离子体，然后将含有臭氧等的气体充入水中的方法，由于放电气体中的大部分活性粒种的寿命很短，其氧化作用得不到充分地利用，另外，在这些方法中放电电压不是加在水上，高电压对水中杂质的活化、极化和中性化作用并不产生很大影响，从而导致了这些水处理方法效率的低下。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用短高压脉冲介质阻挡放电等离子体处理水的方法和设备。该方法设备可根据净化指标的要求控制水的处理过程，有效地去除水中所含的物理、化学和微生物等污染物，无污染，处理成本低廉。
本发明的解决技术方案是首先建立水气混合物，然后通过具有电介质阻挡层的电极对其施加短高电压脉冲，沿水滴或细流表面形成放电通道，产生等离子体，水中金属颗粒杂质被氧化和活化，生成具有絮凝作用和极化吸引作用的金属氢氧化物和金属氧化物，水中中性化和极性化了的杂质微粒被金属氢氧化物和金属氧化物所絮凝和吸附，由过滤器从水中去除。所施加的正短高压脉冲或负短高压脉冲的宽度不大于0.5×10-6秒，脉冲前沿的上升速率不低于109伏/秒，脉冲电压的幅值与电极之间距离的比值在(2-10)×103伏/毫米之间，短高压脉冲的重复频率不少于50脉冲/秒。设备由反应器1和短高压脉冲发生器13组成，反应器1内设有电极系统3，上部安装有建立水气混合物的部件2，下部设有引出水气混合物的部件4，建立水气混合物的部件2含有充气器5、喷射泵6、入水管7、输出气体的管道8，充气器5与风扇9相连接，引出水气混合物的部件4含有预反应室10，电极系统3与短高压脉冲发生器13相连接。电极系统(3)是由两个或两个以上的电极(14)构成的梳状结构(15、16)组成，一个梳状结构上的电极(14)与相邻的梳状结构上的电极(14)之间的距离是1-15mm。电极系统(3)的电极外部设有电介质外套(17)。电介质外套(17)是由一端封闭的石英玻璃管制成。引出水气混合物的部件(4)的下端设有喷射泵(11)和输出管道(12)。充气器(5)和预反应室(10)内设有散水隔栅(18)和(19)。短高压脉冲频率选取所依据的条件是f≥50v/h(脉冲/秒)，其中v为水气混合流在电极区域的流速(米/秒)，h为电极系统的高度(米)。
在本发明中，上述的各项特征是靠如下的具体措施解决实现的首先利用充气系统建立水气混合物，水气混合物再经过一个装有介质外套17的电极系统3通过短高压脉冲介质阻挡放电等离子体进行加工处理。短高电压脉冲沿水滴或细流表面形成放电通道，在水气混合物中产生的短高压脉冲介质阻挡放电等离子体具有如下特点1)介质阻挡放电布满了整个反应器1的空间；2)产生高浓度的电离态和激发态的氧原子、氧分子、氢氧根、过氢氧化物和臭氧等具有强氧化作用的活性粒种；3)产生具有高辐射强度的紫外光。水中金属颗粒杂质被充分地氧化和活化，生成具有絮凝作用和极化吸引作用的金属氢氧化物和金属氧化物，水中中性化和极性化了的杂质微粒被金属氢氧化物和金属氧化物所絮凝和吸附，由过滤器从水中去除。
在本发明所提出的短高压脉冲介质阻挡放电等离子体处理水的方法中，短高压脉冲正的或负的高压脉冲宽度不大于0.5×10-6秒，当脉冲宽度大于0.5×10-6秒时，不仅水处理能耗增加，而且水净化效果也不佳。脉冲前沿的上升速率不低于109伏/秒，在脉冲前沿上升速率比较低时，要想以高的生产效率处理水，电能的耗量会明显地增加。电压脉冲的幅值与电极14之间距离的比值在(2-10)×103伏/毫米之间，当电压脉冲的幅值与电极14间的距离之比小于2×103伏/毫米时，电极14间不能产生放电，因此水也不能被处理，而当电压脉冲的幅值与电极14间的距离之比小于10×103伏/毫米时，发生器和传输线都将变得复杂化了，降低了设备工作的可靠性和增加了能耗。短高压脉冲的频率不少于50脉冲/秒，当脉冲频率不小于50脉冲/秒时，处理后水中杂质的含量都有明显地减少。
在本发明所提出的放电电极系统3和放电参数的范围里，污水已不再具有其导电性能，变成一种几乎不导电的液体。这样既保证了大幅度降低由欧姆加热水所产生的能耗，同时也能极大地改善反应器1中各种电绝缘器件的电绝缘性能，延长其使用寿命。
在由本发明提出的放电电极14结构形成的反应器1内，等离子体是由介质阻挡放电建立的。这种放电发生在水滴或水细流之间的气隙内，在水滴或水细流的表面上发展而成的。放电通道是由许多微型放电集合而成的，呈现一种准空间放电型态，含每一个水滴和每一段细流，分布于整个水流之中。因此经过反应器的整个水流都受到等离子体的处理，其结果不仅提高了处理水的效果，而且降低了能耗。
本发明设备由反应器1和短高压脉冲发生器13组成。将要处理的水送入喷射泵6，分散成水滴和空气混合，形成的水气混合流进入充气器5，在这里再进一步与被风扇9吹入充气器5的空气混合。水沿着充气器里的散水隔栅18从上而下地流入，而空气则是由下而上地冲入，从而保障水与空气中氧的充分混合。这时比较容易氧化的杂质(例如Fe，Mn等)可被部分地氧化，并清除了硫化氢、碳酸、甲烷和其它气体，改善了水的宏观指标。这样形成的水气混合流进入放置电极系统3的区域，在这里以给定的放电参数，脉冲介质阻挡放电等离子体对水进行处理。由短高压脉冲发生器13对电极供电。放电区域里在水滴和细流的表面上产生臭氧、紫外辐射和多种活性粒子。所有这一切都进一步加深了对杂质的氧化和将某些有机化合物(酚、甲烷等)分解成水和CO2，以及对水消毒和灭菌，完全除掉了水的味道，水变成透明的，并具有一种令人喜欢的味道。经放电室被处理后的水进入预反应室10，该室类似于充气器5，里面布满了散水隔栅19，其目的是增加臭氧与水的接触时间，以实现更充分地混合和反应。在充气系统被氧化的铁穿过放电区被活化了，因此具有很高的吸附特性，很多杂质被吸附在它的上面，最后这些杂质与铁一起很容易地被过滤器清除。为了进一步使水和臭氧混合和加强氧化后杂质的絮凝过程，在预反应室10的出口处安装一台喷射泵11，被处理过的水经过输出管道12进入过滤系统。
在本发明设备中，电极系统3由多个(两个以上)电极14组成，这些电极分别安装成两个梳状结构15、16，一个梳状结构15与短高压脉冲发生器13相连接，而另一个相邻梳状结构16则接地，所有的电极14都穿上由石英玻璃管做成的电介质外套17。一个梳状结构的电极到相邻的另一个梳状结构的电极之间的距离为1-15mm的范围内，当这个距离小于1mm时，放电系统结构变得复杂，工作的可靠性和反应器的生产效率都下降了；而当该距离大于15mm时，工作电压必须高于5万伏，这就使放电系统复杂化，设备工作可靠性降低。电极可有各种形状，实验表明用柱状和板状的电极效果最好。所有电极都有一个电介质外套17，它是由电绝缘材料制成的，比较合理的电介质外套17是由固体电绝缘材料制成的，例如玻璃、陶瓷等，电介质外套17有一定的厚度，它或者直接穿在电极14的表面上，或者离开电极14表面有一定距离。电极14电介质外套17的厚度决定着放电系统3可通过水的截面积的大小，后者又与反应器1的水处理效率密切相关，被处理的水层变宽将导致处理效果下降。基于上述这些考虑，电介质外套17的厚度应当在保证其力学和电学强度条件下尽可能地小。在实际条件下，电介质外套17的厚度是通过实验确定的，但在任何情况下电介质外套17的厚度都将小于电极14间距离的一半，电极14和电介质外套17之间的距离应当尽可能地小，但在任何条件下这个距离都应当小于电极14间距和电介质外套17厚度的一半。
在本发明设备中，使用了将一端封死的石英管做为电介质外套17穿在不生锈的电极14上。
本发明的独特优点是在进行污水处理时，无需任何化学添加剂、处理过程简单、无废弃物、容易实现控制和自动化；它提高了水处理效率，极大地减少了能耗。该方法也可用来合成化学的化合物，活化液体和制备超微粉材料以及对各种不同表面的清洗消毒。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的反应器的结构示意图。
图2是本发明的电极系统结构示意图。
图中，1.反应器，2.水气混合部件，3.电极系统，4.水气混合部件，5.充气器，6.喷射泵，7.入水管，8.输出气体的管道，9.风扇，10.预反应室，11.喷射泵，12.输出管道，13.短高压脉冲发生器，14.电极，15.电极，16.电极，17.电介质外套，18.散水隔栅，19.散水隔栅。
具体实施例反应器横截面尺寸为400×500mm，高度为3500mm，电极系统3是由直径为1.5mm不锈钢杆构成，电极14间的距离为7mm，电极穿有由石英玻璃管制成的电介质外套17，石英玻璃的直径为5mm，壁厚1.5mm，电极14和电介质外套17之间的距离为0.25mm，电极14被分别安装在两个水平面上，在每一个水平面上装有41个电极，电极系统3的高度(h)为50mm，水在电极14区域的流速(v)大约为1米/秒。
水的处理条件如下被处理的水中含有大肠杆菌103菌/升、酚0.2mg/升、三氯乙烯0.03mg/升、锰0.25mg/升、铝0.1mg/升、铜2.0mg/升，每小时处理样是在反应器1后取的，另一种水样是过滤后取的，所得到的分析结果列在表1和表2中。
在表1里列出的结果是在以下的条件下得到的放电的短高压脉冲频率为103脉冲/秒。频率选取所依据的条件是f≥50v/h，其中v为水气混合流在电极14区域的流速(约1米/秒)，h为电极系统3的高度(h＝50×10-3米)。
从表1可看出，当脉冲宽度不大于0.5×10-6秒时，处理水的能耗减少了，同时对几个主要杂质成分，水的净化效果都得到了改善。
在表2里给出了当脉冲宽度为0.2×10-6秒时，被处理后水的杂质含量(mg/升)对脉冲频率的依赖关系。从表2可以看出，当脉冲频率不小于50脉冲/秒时，处理后的水中杂质的含量都减少了。
处理后水中大肠杆菌含量少于1菌/升。
表1
表2
权利要求
1.一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法，其特征在于首先建立水气混合物，然后通过具有电介质阻挡层的电极对其施加短高电压脉冲，沿水滴或细流表面形成放电通道，产生等离子体，水中金属颗粒杂质被氧化和活化，生成具有絮凝作用和极化吸引作用的金属氢氧化物和金属氧化物，水中中性化和极性化了的杂质微粒被金属氢氧化物和金属氧化物所絮凝和吸附，由过滤器从水中去除。
2.根据权利要求1所述的一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法，其特征是所施加的正短高压脉冲或负短高压脉冲的宽度不大于0.5×10-6秒，脉冲前沿的上升速率不低于109伏/秒，脉冲电压的幅值与电极之间距离的比值在(2-10)×103伏/毫米之间，短高压脉冲的频率不少于50脉冲/秒。
3.一种实施权利要求1所述的一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法的设备，其特征是它由反应器(1)和短高压脉冲发生器(13)组成，反应器(1)内设有电极系统(3)，上部安装有建立水气混合物的部件(2)，下部设有引出水气混合物的部件(4)，建立水气混合物的部件(2)含有充气器(5)、喷射泵(6)、入水管(7)、输出气体的管道(8)，充气器(5)与风扇(9)相连接，引出水气混合物的部件(4)含有预反应室(10)，电极系统(3)与短高压脉冲发生器(13)相连接。
4.根据权利要求3所述的一种实施权利要求1所述的一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法的设备，其特征是所述的电极系统(3)是由两个或两个以上的电极(14)构成的梳状结构(15、16)组成，一个梳状结构上的电极(14)与相邻的梳状结构上的电极(14)之间的距离是1-15mm。
5.根据权利要求4所述的一种实施权利要求1所述的一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法的设备，其特征是所述的电极系统(3)的电极外部设有电介质外套(17)。
6.根据权利要求5所述的一种实施权利要求1所述的一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法的设备，其特征是所述的电介质外套(17)是由一端封闭的石英玻璃管制成。
7.根据权利要求3所述的一种实施权利要求1所述的一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法的设备，其特征是所述的引出水气混合物的部件(4)的下端设有喷射泵(11)和输出管道(12)。
8.根据权利要求3所述的一种实施权利要求1所述的一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法的设备，其特征是所述的充气器(5)和预反应室(10)内设有散水隔栅(18)和(19)。
9.根据权利要求3所述的一种短高压脉冲介质阻挡放电等离子体水处理方法，其特征是所述的短高压脉冲发生器(15)的频率选取所依据的条件是f≥50v/h(脉冲/秒)，其中v为水气混合流在电极区域的流速(米/秒)，h为电极系统的高度(米)。
全文摘要
本发明涉及等离子体物理与等离子体化学相结合的应用技术领域，是一种用短高压脉冲介质阻挡放电等离子体处理水的方法和设备。该方法设备可根据净化指标的要求控制水的处理过程，有效地去除水中所含的物理、化学和微生物等污染物。该技术可用于工业、农业、及社会公共事业等领域中的饮用水、供水和污水处理，以及对水进行消毒、灭菌和活化处理。
文档编号C02F1/58GK1513772SQ0313340
公开日2004年7月21日 申请日期2003年6月4日 优先权日2003年6月4日
发明者马腾才, 伊瓦洛夫斯基, 郭淑红, 范松华, 夫斯基 申请人:大连动静科技有限公司