倍压电极脉冲电场发生器及处理磷污染湖水的应用的制作方法
【专利摘要】倍压电极脉冲电场发生器及处理磷污染湖水的应用，属于废水处理设备及应用。本发明倍压电极脉冲电场发生器包括由调压器B、二极管、与二极管相同数量的电容器组成的2~5倍的多倍压整流电路，其负载为水槽内的电极板，且多倍压整流电路由电阻R1、R2、R4、二极管D3、三极管直接耦合放大器T1、T2及可控硅管SCR组成的控制电路所控制，电极板是铁极板、铜极板或铝极板中的一种；脉冲峰值电压在100V~620V可调，频率50HZ，脉冲宽度约2ms。该发生器处理pH：6~7，磷酸根离子形式主要为H2PO4-，水的磷含量≥16mg/L磷污染湖水后，磷浓度可低于1mg/L或0.5mg/L。
【专利说明】倍压电极脉冲电场发生器及处理磷污染湖水的应用
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于废水处理设备及应用。
【背景技术】
[0002]磷在湖泊水体中主要以磷酸根离子、聚磷酸盐和有机磷酸盐三种形态存在，这种形态取决于工业废水的pH值，在中性范围内，主要为ΗΡ042_ ;在酸性条件下，含磷物质主要是hpo42_和H2P04_ ;在碱性条件下，含磷物质主要为PO4'藻类的超常生长是水体富营养化的标志，而这种富营养化主要是由于氮、磷等元素含量增多造成的。云南省滇池自20世纪90年代以来，由于完全忽视自然生态内在的规律性，对滇池及其围绕滇池周围地区过度利欲动机的破坏，造成了滇池重度富营养化，使这个湖面海拔高度1886米，面积306.3平方公里，蓄水量15.7亿立方米的中国第六大内陆淡水湖以及世界上屈指可数的高原淡水湖藻类大量繁殖，其水质超出V类或劣V类标准，特别是氮、磷浓度分别达到7.5,9.19mg/L。阳宗海是云南九大高原 湖泊之一，常年蓄水量六亿多立方米，2008年6月湖体遭一化工企业排放的含磷的工业污水污染，水质恶变为V类。从受到污染的云南阳宗海泉眼取得的水样，其磷含量> 16 mg/L (pH:6-7)，这些水体丧失了饮用及工农业生产用水的功能。土著鱼种基本绝迹，沿湖水井不能饮用，被藻类覆盖的水面散发着恶劣腥臭，中毒事件和不明病因的疾病时有发生。尽管在滇池等湖泊水体富营养化治理中使用了化学沉淀法、生物法、吸附或离子交换法、膜分离法等除磷方法，但水体富营养化并未得到遏制，除所需成本、耗能外，不能忽视其次生污染引起水体水质恶化的严重的潜在性危险。如微生物法主要针对生活污水，占地面积小、工艺简单、成本高，但要求严格，流程复杂。而铁盐除磷过程表现的Fe3+溶于水中后，一方面与磷酸根生成难溶盐，一方面通过溶解和吸水而发生强烈水解，并在水解的同时发生各种聚合反应，生成具有较长线性结构的多核羟基络合物(苗晶，岳钦艳，高宝玉，等.高浓度聚合氯化铁混凝剂的净水效果.环境化学.2004，23(1): 62-65)，该络合物转化或形成的污泥将产生不利影响。
[0003]脉冲电场比直流电场消耗量低，用脉冲电场法去除染料分子、重金属或其它工业污染已有文献报导，即利用在金属极板之间周期性脉冲电场处理废水。但以该方法去除富营养化水体的磷含量的方法较少，尤其是缺少在较高电压条件下将脉冲电场应用于含磷污水处理的装置和工艺。
[0004]理论上，比较水溶液中氢离子浓度，磷酸根离子以Η2Ρ04_、ΗΡ042_和P043_三种形式存在，当pH值在6-10之间时，磷酸根离子主要以H2PO4' ΗΡ042_形式存在，二者在水中的电离常数K分别为7.5X10—3和6.3 X 10_8，H2PO4-与HPO42-比较，ΗΡ042_占多数，有少量H2PO4'后者只能电离出更为微量的H+离子和P042_离子。在脉冲电场法除磷过程中，P042_离子浓度下降会导致磷酸根离子与铁离子反应的机会减少，去除含磷酸根离子更为困难。云南主要磷污染湖泊的样水的PH值呈中性，磷酸盐主要以ΗΡ042_形式存在，其次为Η2Ρ04_，包括取自于云南阳宗海和滇池受污染水体的水样。云南阳宗海泉眼的水，PH值:6-7，水样的磷含量> 16 mg/Lο
【发明内容】
[0005]针对ΗΡ042_磷酸盐为主要存在形式磷污染湖泊，本发明在脉冲电场法除磷研究基础上，旨在提供一种倍压电极板脉冲电场发生器，并将该脉冲电场发生器应用于处理磷污染湖水，以提出一种高效、无二次污染的物理手段除磷方法，为探索磷污染水域提供新思路。
[0006]本发明通过以下方式实现上述目的:
(一)倍压电极脉冲电场发生器
包括由调压器B、二极管、与二极管相同数量的电容器组成的2飞倍的多倍压整流电路，其特征是所述的多倍压整流电路的负载为水槽内平行设置的电极板，且多倍压整流电路由电阻町、1?2、1?4、二极管D3、三极管直接耦合放大器T1、T2以及可控硅管SCR组成的控制电路所控制以产生脉冲电场，其中:
调压器B副边滑动端与多倍压整流电路和可控硅控制电路并联，可控硅控制电路副边滑动端与二极管D3负极以及由压敏电阻R2、电阻R1、R4组成分压电路相连接，且电阻R4构成三极管直接耦合放大器Tl、T2的偏流电阻，Tl的基极和T2集电极分别与可控硅管SCR的G-K端连接，使T1、T2饱和导通时SCR的G-K端正向偏置，C2所积蓄的倍压电压通过SCR的A-K端和水槽的电极板向水槽迅速放电；
上述电极板是铁极板、铝极板或铜极板中的一种；
上述压敏电阻R2在R2两端的电压大于150V时阻值降低。
[0007]所述的倍压电极板脉冲电场发生器的电极板上的脉冲峰值电压在100疒620V可调，频率50ΗΖ，脉冲宽度约2ms。
[0008]所述的倍压电极板脉冲电场发生器的电极板是铁极板。
[0009](二)应用倍压电极脉冲电场发生器处理磷污染湖水 以倍压电极脉冲电场发生器作为处理磷污染湖水的应用。
[0010]所述的脉冲电场发生器处理磷污染湖水的pH值:6-7，磷酸根离子形式主要为Η2Ρ04-,水的磷含量≥16 mg/L,使污水中磷浓度低于lmg/L或低于0.5mg/L。
[0011]倍压整流是获取直流高压的普通技术，它利用二极管的整流和导引作用，将电压分别贮存到电路中各自的电容上，按电动势极性相加的原理串联，从输出端取得直流高压。
[0012]本发明二倍压电极板脉冲电路原理是:在负半周时，二极管Dl导通，D2截止，电流经Dl向Cl充电充电至接近调压器副边e2的峰值V 2E2，并基本保持不变。在正半周，二极管D2导通，Dl截止，Cl上的电压Ucl= V 2E2与副边电压e2串联相加，电流经D2对电容C2充电，充电电压Uc2=e2峰值+ V 2E2 √ 2 V 2E2。但此时SCR的A-K两端处于反向电压，SCR截止，不能通过水槽的电极板形成电流通路。而在交流电的负半周，除了电流经过Dl向Cl充电外，负半周电流通过R4 — R2 — Rl — D3，并在R4上形成压降，且当加在压敏电阻R2两端的电压达到150V时，R2的阻值骤然下降，使得该通路的电流骤然增加，导致Tl的基极-射极电压Ube处于正向偏置状态且饱和导通，经Tl放大的集电极饱和电流提供给VT2基极，使得T2亦迅即饱和导通和SCR的G-K正向偏置，使得C2所积蓄的倍压电压通过SCR的A-K和水槽的铁电极极板，向水槽迅速放电，且由于SCR管压降很小，倍压电压几乎全部输出在水槽中的铁电极极板负载上。放电后，SCR两端A-K之间的电压为零，SCR截止。在上述过程中，水槽中的铁电极极板负载两端电压为前沿陡峭和后沿下降较快的脉冲信号，这将有利于在脉冲消失的空隙时间内，水槽中的金属离子与磷酸根离子在空隙时间内反应生成磷酸盐分子。正半周C2再次被快速充电，负半周时SCR再次被触发导通，C2积蓄的倍压电压再次向水槽迅速放电，如此周而复始。
[0013]对于多倍压整流电路，倍压电路增加多个二极管和相同数量的电容器即可组成，且当倍压级数为奇数时，输出电压从电路上端取出:当倍压级数为偶数时，输出电压从电路的下端取出。但是，倍压整流电路只能在负载较轻，即负载电阻较大，输出电流较小的情况下工作，否则输出电压会降低。对于多倍压整流电路，倍压越高，负载愈重，当电流增大时，输出电压下降愈多。本发明污水中含磷酸根离子主要为H2PO4-,是弱电解质，导电性微小，负载轻，因而能够利用2飞倍的多倍压整流电路。
[0014]本发明应用倍压电极板脉冲电场发生器处理磷污染湖水原理是:在一定电场作用下，正极板电离出的金属离子(Fe3+，Cu2+，Al3+)与富集在正极板附近的磷酸氢根离子化学反应生成难溶磷酸盐沉淀而从水中析出。同时，一定的电场强度使水电解为0H_和H+离子。0H_移向正极板，与正极板电离出的金属离子形成氢氧化物絮状体，絮状体较大的比表面、空隙率及表面极性将吸附、捕获磷酸根，磷酸盐和水中的杂质，从水中析出，净化水体。
[0015]本发明分别用铁，铜和铝材料作为水槽平行极板，调节处理时间、电压峰值和极板间距对污水中含磷酸根离子形式主要为H2PO4-除磷的效率进行研究，结果表明:对于水的磷含量> 16 mg/L，铁极板脉冲电场脉冲电场法除磷效果显著，使污水中磷浓度低于lmg/L或低于0.5mg/L，总磷含量下降99.25%。
[0016]本发明自2009年引入云南阳宗海砷和磷污染治理，针对大型水体同时除砷、除磷进行应用及研究，并提供了一种治理水污染的无二次污染、工艺简单、环境友好的应用技术。
【专利附图】
【附图说明】[0017]图1是本发明2倍压电极脉冲电场发生器的电路原理图。
[0018]图2是本发明输出电压从上端取出的5倍压电极脉冲电场发生器的电路原理图。
[0019]以下结合【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
【具体实施方式】
[0020]倍压电极脉冲电场发生器，包括由调压器B、二极管、与二极管相同数量的电容器组成的2飞倍的多倍压整流电路，多倍压整流电路的负载为水槽内平行设置的电极板，并且该多倍压整流电路由电阻1?1、1?2、1?4、二极管03、三极管直接耦合放大器1'1、了2以及可控硅管SCR组成的控制电路所控制，其电路和工作原理已在上述内容做过详细说明，该发生器将按照以下试验不同条件进行应用。
[0021]在以下试验中，用铁极板，铜极板和铝极板进行对比，为保证试验可靠性，实验所用的水直接取自云南阳宗海泉眼，pH=6-7，磷酸盐主要以ΗΡ042_存在，还有少量Η2Ρ04_，含磷水样用752N可见光分光光度计按照国家标准方法，即钥酸铵分光光度法检测。光度计标准
曲线的公式是:￥ = 2.59￥10-3+2'秘￥10-2相关系数是0.9999。
[0022]调压器(T220V可调，通过2倍压电路输出的脉冲峰值电压最高可达616V，固定脉冲频率50Hz和时间30min，分别用Fe_Fe，Cu-Cu, Al-Al电极板进行实验，电极板面积25cmX22cm。通过改变峰值电压、时间和间距，比较不同电极板下总磷含量的变化，以观察不同材料同质极板作用下除磷的效果。
[0023](l)Fe-Fe, Cu-Cu, Al-Al极板在不同间距和峰值电压作用下除磷效果的比较 表I不同极板在间距20 cm、时间20 min下不同峰值电压总磷含量的比较
表2不同极板在间距15 cm、时间20 min下不同峰值电压总磷含量的比较
【权利要求】
1.倍压电极脉冲电场发生器，包括由调压器B、二极管、与二极管相同数量的电容器组成的2飞倍的多倍压整流电路，其特征是所述的多倍压整流电路的负载为水槽内平行设置的电极板，且多倍压整流电路由电阻R1、R2、R4、二极管D3、三极管直接耦合放大器T1、T2以及可控硅管SCR组成的控制电路所控制以产生脉冲电场，其中: 调压器B副边滑动端与多倍压整流电路和可控硅控制电路并联，可控硅控制电路副边滑动端与二极管D3负极以及由压敏电阻R2、电阻R1、R4组成分压电路相连接，且电阻R4构成三极管直接耦合放大器Tl、T2的偏流电阻，Tl的基极和T2集电极分别与可控硅管SCR的G-K端连接，使T1、T2饱和导通时SCR的G-K端正向偏置，C2所积蓄的倍压电压通过SCR的A-K端和水槽的电极板向水槽迅速放电； 上述电极板是铁极板、铝极板或铜极板中的一种； 上述压敏电阻R2在其两端的电压大于150V时阻值降低。
2.根据权利要求1所述的倍压电极脉冲电场发生器，其特征是所述电极板上的脉冲峰值电压在100疒620V可调，频率50ΗΖ，脉冲宽度约2ms。
3.根据权利要求1或所述的倍 压电极脉冲电场发生器，其特征是所述电极板是铁极板。
4.如权利要求1或2或3所述的倍压电极脉冲电场发生器之一种作为处理磷污染湖水的应用。
5.根据权利要求4所述的倍压电极脉冲电场发生器处理磷污染湖水的应用，其特征是以间距15 cm,峰值电压550 V,时间30min, Fe-Fe极板处理pH值6-7，磷酸根离子形式主要为HPO广，水的磷含量> 16 mg/L的磷污染湖水，去除率分别为98.33%，磷含量为0.27，使污水中磷浓度低于lmg/L或低于0.5mg/L。
【文档编号】C02F1/461GK103449573SQ201310369915
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2013年8月23日
【发明者】张曙, 王娟, 杨晓波, 张艮林, 刘志辉, 王丽霞 申请人:云南大学