空气等离子体射流水处理实验研究装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，包括：反应容器，用于容纳废水；等离子体射流发生装置，用于产生空气等离子体射流并使空气等离子体射流在反应容器中的废水中放电；搅拌装置，用于对反应容器中的废水进行搅拌。本发明的带有搅拌功能的空气等离子体射流水处理实验研究装置能够产生稳定、高浓度的等离子体活性粒子，实现等离子体的高效利用和水处理时的充分化学反应，本发明的反应装置控制能力强，处理效果好。
【专利说明】空气等离子体射流水处理实验研究装置【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水处理装置，具体涉及一种带有搅拌功能的空气等离子体射流水处理实验研究装置。
【背景技术】
[0002]等离子体是由大量相互作用、但仍处于非束缚状态下的带电粒子组成的宏观体系，是和固体、液体、气体处于同一层次的物质的第四态。空气等离子射流源(APJ)在水中放电可得到低温等离子体，低温等离子体中电子的温度在IO4K以上，离子和中性粒子的温度比常温稍高，放电过程伴随着高能电子、紫外线、冲击波、活性粒子(如.0H、.0、.H、03、H2O2等)，这一特性可以用来去除水中难降解的有机物、细菌、重金属等有毒害物种。利用空气等离子射流源所产生低温等离子体射流，集合了电、化学氧化和光于一体，是一种水处理的高级氧化技术，这项技术同时具备活性自由基氧化、光化学氧化、超临界水氧化、液电空化降解等多项水处理方法的综合效应。
[0003]目前，低温等离子体水处理技术被认为是处理难降解有机物的最佳方法之一，但现有的等离子体水处理装置存在诸多缺点，如等离子体利用率低、水处理时化学反应进行的不够充分、反应装置不能自动控制以及仅能在实验室理想条件下进行实验等。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种带有搅拌功能的空气等离子体射流水处实验研究理装置。
[0005]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
[0006]空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，包括:
[0007]反应容器，用于容纳废水；
[0008]等离子体射流发生装置，用于产生空气等离子体射流并使空气等离子体射流在反应容器中的废水中放电；
[0009]搅拌装置，用于对反应容器中的废水进行搅拌。
[0010]前述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述等离子体射流发生装置包括压缩气源、高压电源、射流喷头，所述压缩气源连接高压电源，高压电源连接射流喷头，射流喷头伸入反应容器中的废水中；所述搅拌装置包括搅拌电机及同步装置、搅拌棒，所述搅拌电机及同步装置连接搅拌棒，所述搅拌棒伸入反应容器中的废水中。
[0011]前述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，还包括数据采集与控制单元、气体流量计、用于检测搅拌装置的转动情况的电机转动光电检测单元、电机驱动与控制单元、第一供气管道、第二供气管道、高压电缆、高压探头、电流探头、示波器；所述压缩气源和高压电源之间通过第一供气管道连接；所述高压电源和射流喷头之间分别通过第二供气管道和高压电缆连接；气体流量计安装在第二供气管道上；高压探头的一端通过高压电缆连接高压电源，高压探头的另一端通过高压电缆连接示波器，示波器通过高压电缆连接电流探头，电流探头通过高压电缆连接射流喷头；电机驱动与控制单元连接搅拌电机及同步装置；数据采集与控制单元分别通过电缆连接电机驱动与控制单元、压缩气源、高压电源、气体流量计、电机转动光电检测单元、冷凝回流装置。
[0012]前述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，还包括冷凝回流装置；所述反应容器包括容器腔以及分别设置在容器腔上的第一口、第二口和第三口 ；所述射流喷头伸入第一口，所述搅拌棒伸入第二口，所述冷凝回流装置设置在第三口。
[0013]前述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，还包括用于检测空气等离子体射流的光谱检测装置。
[0014]前述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述搅拌电机及同步装置包括步进电机、步进电机同步装置，所述电机驱动与控制单元连接步进电机，步进电机连接步进电机同步装置，步进电机同步装置连接搅拌棒。
[0015]前述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述数据采集与控制单元包括微控制器、显示器、键盘输入单元和器件控制端，微控制器分别连接显示器、键盘输入单元、器件控制端、电机驱动与控制单元、压缩气源、高压电源、气体流量计、电机转动光电检测单元、冷凝回流装置。
[0016]前述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述电机驱动与控制单元包括驱动器控制单元、两相步进电机驱动单元，微控制器连接驱动器控制单元，驱动器控制单元连接两相步进电机驱动单元，两相步进电机驱动单元连接搅拌电机及同步装置。
[0017]前述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述反应容器为三口石英反应器，所述反应容器设置在反应器基台上；所述第一供气管道和第二供气管道均为聚四氟乙烯管；所述搅拌电机及同步装置还包括反应器固定杆、机构安装座、搅拌器定位座、滚珠套筒、滚珠套筒固定装置，所述滚珠套筒通过滚珠套筒固定装置安装在反应器固定杆上；滚珠套筒固定连接机构安装座，机构安装座固定连接搅拌器定位座；所述步进电机和步进电机同步装置连接安装在机构安装座上；搅拌棒设置在搅拌器定位座上；所述搅拌棒上设置有搅拌叶片，所述搅拌棒和第二口之间设置有密封活塞；所述冷凝回流装置为球形冷凝管；所述气体流量计通过RS-485接口连接数据采集与控制单元；所述微控制器为STC12系列单片机，驱动器控制单元包括L297芯片，STC12系列单片机连接L297芯片，两相步进电机驱动单元包括两个L6203芯片，L297芯片分别与两个L6203芯片相连，L6203芯片连接搅拌电机及同步装置；所述光谱检测装置包括光谱仪、光纤固定器、光纤、PC机，光纤固定器将光纤一端固定在反应器基台上，光纤另一端连接光谱仪，光谱仪连接PC机。
[0018]本发明的有益之处在于:本发明的空气等离子体射流水处理实验研究装置能够产生稳定的等离子体活性粒子，能够调整反应器的搅拌速度， 结合等离子体光谱检测和放电参数检测系统，实现等离子体的高效利用和水处理时的充分化学反应，研究等离子体射流处理废水的化学反应动力学模式，本发明的反应装置控制能力强，处理效果好。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的一个优选实施的结构示意图；
[0020]图2是本发明中搅拌电机及同步装置的优选结构示意图；[0021]图3是本发明中搅拌电机及同步装置的俯视图；
[0022]图4是本发明中数据采集与控制单元的优选结构示意图；
[0023]图5是本发明中电机驱动与控制单元的优选结构示意图；
[0024]图6是本发明中电机驱动与控制单元的两相步进电机单相电流提升示意图；
[0025]图7是本发明中电机驱动与控制单元的单相电流提升及半流控制电路图；
[0026]图8是本发明中反应容器的优选结构示意图；
[0027]图9是本发明中射流喷头的工作原理示意图；
[0028]图10是本发明中空气等离子体射流降解有机物时溶液穿过等离子体区域的流速示意图；
[0029]图11是本发明中水处理主程序流程图；
[0030]图12是本发明中运行时的显示流程图；
[0031]图13是本发明中运行时的水处理流程图。
[0032]图中附图标记的含义:
[0033]1、冷凝回流装置，2、出水口，3、进水口，4、密封活塞，5、搅拌电机及同步装置，6、反应容器，7、搅拌棒，8、搅拌叶片，9、反应器基台，10、光纤固定器，11、射流，12、射流喷头，13、电机驱动与控制单元，14、数据采集与控制单元，15、高压电源，16、压缩气源，17、光谱仪，18、PC机，19、光纤，20、示波器，2`1、电流探头，22、高压电缆，23、第二供气管道，24、电机转动光电检测单元，25、高压探头，26、气体流量计，27、同步轮，28、参考标尺，29、机构安装座，30、同步带，31、步进电机，32、反应器固定杆，33、滚珠套筒，34、锁定旋钮，35、轴承，36、搅拌器定位座，37、第一供气管道，38、第一口，39、第二口，40、第三口，41、显示器，42、微控制器，43、器件控制端，44、键盘输入单元，45、固定夹，46、刻度尺，47、球形冷凝管，48、反应器支架，49、操作台底座，50、射流喷头固定杆，51、等离子体炬，52、进气口，53、聚四氟乙烯，54、气流，55、铝材料，56、铜制内电极，57、铜制外电极，58、等离子体。
【具体实施方式】
[0034]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0035]本发明的目的，是提供一种带有搅拌功能的空气等离子体射流水处理实验研究装置。废水处理反应动力学过程为:将待处理的水经过搅拌器的快速搅拌，造成废水溶液与来自等离子体区域的空气的接触面积成指数级增加，在放电反应处理过程中有效提高放电产生的活性粒子(高能电子、活性自由基、紫外线和臭氧)与水中有毒害物种(有机污染、重金属离子、病菌等)的碰撞频率。从而，有效提高化学反应速率。本发明搅拌器转速可调，可以针对不同污染参数的水，调整其溶液流速与等离子体射流11的相互运动速度，使反应器中产生的化学反应动力学处于“扩散步骤控制”或者是“活化步骤控制”区域。并最终将反应调整到“扩散步骤”与“反应速率”相近的参数点，从而实现水处理系统运行的最高效最节能状态。
[0036]参照图1所示，本实施例中给出的空气等离子体射流水处理实验研究装置，包括:反应容器6，用于容纳废水；等离子体射流发生装置，用于产生空气等离子体射流11并使空气等离子体射流11在反应容器6中的废水中放电；搅拌装置，用于对反应容器6中的废水进行搅拌。实际运行时，反应容器6中的废水溶液与来自等离子体射流发生装置产生的空气等离子体接触，而搅拌装置对反应容器6中的废水进行搅拌，从而有效提高废水处理的化学反应速率。
[0037]进一步，在本实施例中，等离子体射流发生装置包括压缩气源16、高压电源15、射流喷头12，压缩气源16连接高压电源15，高压电源15连接射流喷头12，射流喷头12伸入反应容器6中的废水中；搅拌装置包括搅拌电机及同步装置5、搅拌棒7，搅拌电机及同步装置5连接搅拌棒7，搅拌棒7伸入反应容器6中的废水中。如图2和图3所示，压缩气源16与高压电源15之间用供气管道相连，供气管道为聚四氟乙烯53 (PTFE)管；高压电源15与射流喷头12之间分别用供气管和高压电缆22相连接；气体流量计26安装在连接高压电源15和射流喷头12的供气管道上，高压探头25、示波器20和电流探头21依次安装在高压电源15和射流喷头12之间的高压电缆22上；射流喷头12伸入到三口石英反应器第一口 38 ；电机驱动与控制单元13和搅拌装置之间用电缆连接；数据采集与控制单元14分别和电机驱动与控制单元13、高压电源15、压缩气源16、气体流量计26、电机转动光电检测单元24、冷凝管用电缆连接。作为优选，第一供气管道37和第二供气管道23均为聚四氟乙烯53管。
[0038]为了提高本实施例的自动控制能力，如图2和图4所示。本发明还包括数据采集与控制单元14、气体流量计26、用于检测搅拌装置的转动情况的电机转动光电检测单元24、电机驱动与控制单元13、第一供气管道37、第二供气管道23、高压电缆22、高压探头25、电流探头21、示波器20 ;压缩气源16和高压电源15之间通过第一供气管道37连接；高压电源15和射流喷头12之间分别通过第二供气管道23和高压电缆22连接；气体流量计26安装在第二供气管道23上；高压探头25的一端通过高压电缆22连接高压电源15，高压探头25的另一端通过高压电缆22连接示波器20，示波器20通过高压电缆22连接电流探头21，电流探头21通过高压电缆22连接射流喷头12 ；电机驱动与控制单元13连接搅拌电机及同步装置5 ;数据采集与控制单元14分别通过电缆连接电机驱动与控制单元13、压缩气源16、高压电源15、气体流量计26、电机转动光电检测单元24、冷凝回流装置I。
[0039]如图2和图8所示，本发明还包括冷凝回流装置1，本发明的反应容器6包括容器腔以及分别设置在容器腔上 的第一口 38、第二口 39和第三口 40 ;射流喷头12伸入第一口38，搅拌棒7伸入第二口 39，冷凝回流装置I设置在第三口 40。作为优选，反应容器6为三口石英反应器。作为优选，本发明的反应容器6为三口石英反应器，反应容器6设置在反应器基台9上。
[0040]本发明还包括用于检测空气等离子体射流成分的光谱检测装置。进一步，光谱检测装置包括光谱仪17、光纤固定器10、光纤19、PC机18，光纤固定器10将光纤19 一端固定在反应器基台9上，光纤19另一端连接光谱仪17，光谱仪17连接PC机18。光谱仪17的检测探头固定在靠近等离子体射流区域的石英三口烧瓶外部，用于检测不同放电电压、放电电流、工作气体成分和气体流量参数下，浸入液体的大气压等离子体区域的活性粒子(如羟基自由基、氧原子等)成分及其相对发光强度。电机转动光电检测单元24与数据采集与控制单元14相连，用于检测搅拌器是否转动，监控步进电机31是否堵死。高压探头25 一端接在连接高压电源15与等离子体射流喷头12的高压电缆22上，一端与示波器20相连，等离子体射流喷头12放电击穿电压经高压探头25衰减后，可在示波器20上准确的测试出来。电流探头21 —端套在与等离子体射流喷头12连接的导线上，一端与示波器20相连，流经该导线的放电电流可在示波器20上准确的测试出来。示波器20外接高压探头25和电流探头21，通过调节示波器20的功能键，可以观测电流波形、电压波形，同时可以测定频率、电压强度等。在一个周期T内，已知放电击穿电压u(t)，放电电流i(t)，根据公式
P=~\l\'Ani{t)\dt，可以计算出放电功率。气体流量计26安装在连接高压电源15和射流
喷头12的供气管道上，通过RS-485接口将流量信号反馈至数据采集与控制单元14，用于检测管道中气流54的流量大小。因此，控制搅拌速度和处理时间的搅拌机构和射流源配合光谱仪17、高压探头25、电流探头21、示波器20、流量计可以研究降解效率与各个物理参数之间的耦合关系。
[0041 ] 进一步，本发明的搅拌电机及同步装置5包括步进电机31、步进电机31同步装置，电机驱动与控制单元13连接步进电机31,步进电机31连接步进电机31同步装置,步进电机31同步装置连接搅拌棒7。作为优选，搅拌电机及同步装置5还包括反应器固定杆32、机构安装座29、搅拌器定位座36、滚珠套筒33、滚珠套筒固定装置，滚珠套筒33通过锁定旋钮34等滚珠套筒固定装置安装在反应器固定杆32上；滚珠套筒33固定连接机构安装座29，机构安装座29固定连接搅拌器定位座36 ;步进电机31和步进电机31同步装置连接安装在机构安装座29上；搅拌棒7设置在搅拌器定位座36上；搅拌棒7上设置有搅拌叶片8，搅拌棒7和第二口 39之间设置有密封活塞4 ;冷凝回流装置I为球形冷凝管，其包括出水口 2和进水口 3，如图1所示，通过水流进行冷却。[0042]搅拌电机及同步装置5可以控制反应中废水溶液的流转速度，从化学反应动力学原理分析，一方面，反复的震动和扩散可以使反应物分子因碰撞而获得足够的可以导致反应发生的能量，另一方面可以减小溶剂笼对自由基的包围从而减小反应阻力，有效增加活性物质与被降解物的反应“遭遇对”;通过调节转数还可以改变废水溶液与等离子体射流源的接触面积和时间，获得更大的接触面积和更快的反应速度；更高的搅拌速度一方面获得了较高碰撞率，但另一方面需要消耗更多的能量，并且当溶液中的有毒害分子与等离子体区域的活性粒子碰撞频率达到较高的频率时，其化学反应动力学处于“活化步骤控制”区域，更高的碰撞率对反应没有贡献。本发明实验表明，当搅拌棒7的转动使得溶液的流速为
1.57~2.20m/s时，水中有机物降解率最高。
[0043]同步装置可以实现同步控制处理时间，包括搅拌时间和等离子射流源对溶液的作用时间；为保证搅拌机构的稳定运行，需在反应器固定杆32上加装滚珠套筒33及固定装置，步进电机31安装在机构安装座29上，再将机构安装座29与搅拌器定位座36固定起来；步进电机31固定位置距离操作台底座40cm(以套筒滚珠固定装置中心处对应参考标尺28上的刻度为准)，且电机需与操作台底座49保持垂直，高度调整好后用锁定旋钮34锁定。
[0044]针对步进电机31转速低于搅拌器所需转速的问题，设计采用同步带30传动，参见图2，搅拌电机及同步装置5，主要包括同步电机、同步带30、大带轮、小带轮、电机与传动装置的连接机构、轴承35、轴承固定螺丝、标尺、搅拌棒7等；同步带30传动装置由一条内周表面设有等间距齿形的环行皮带及具有相应吻合的带轮所组成，转动时，通过带齿与带轮的齿槽相啮合来传递运动和动力，结构紧凑，无滑差，传动平稳，可获得恒定的传动比；同步带30为XL特轻型(节距为5.080mm)，大带轮为40齿小带轮为10齿，带轮中心距为55.3mm。
[0045]本实施例采用电机驱动与控制单元13作为搅拌装置的动力单元，在图4、图5、图
6、图7的数据采集与控制单元14作用下，实现搅拌器的转速和搅拌时间的精确设定。[0046]步进电机31驱动搅拌器工作过程中，已知污水处理时间tt(s)，搅拌器转速Rm(rpm),同步带30的转速比η和电机步进角Θ (° ),欲求加载在CP端口(CP端为驱动器的脉冲信号输入控制端)的脉冲频率A(Hz)。
[0047]搅拌棒7与电机间用同步轮27和同步带30连接，已知同步带30的转速比η,电机转动的转速Rt表达式为:
【权利要求】
1.空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，包括: 反应容器，用于容纳废水； 等离子体射流发生装置，用于产生空气等离子体射流并使空气等离子体射流在反应容器中的废水中放电； 搅拌装置，用于对反应容器中的废水进行搅拌。
2.根据权利要求1所述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述等离子体射流发生装置包括压缩气源、高压电源、射流喷头，所述压缩气源连接高压电源，高压电源连接射流喷头，射流喷头伸入反应容器中的废水中；所述搅拌装置包括搅拌电机及同步装置、搅拌棒，所述搅拌电机及同步装置连接搅拌棒，所述搅拌棒伸入反应容器中的废水中。
3.根据权利要求2所述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，还包括数据采集与控制单元、气体流量计、用于检测搅拌装置的转动情况的电机转动光电检测单元、电机驱动与控制单元、第一供气管道、第二供气管道、高压电缆、高压探头、电流探头、示波器；所述压缩气源和高压电源之间通过第一供气管道连接；所述高压电源和射流喷头之间分别通过第二供气管道和高压电缆连接；气体流量计安装在第二供气管道上；高压探头的一端通过高压电缆连接高压电源，高压探头的另一端通过高压电缆连接示波器，示波器通过高压电缆连接电流探头，电流探头通过高压电缆连接射流喷头；电机驱动与控制单元连接搅拌电机及同步装置；数据采集与控制单元分别通过电缆连接电机驱动与控制单元、压缩气源、高压电源、气体流量计、电机转动光电检测单元、冷凝回流装置。
4.根据权利要求3所述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，还包括冷凝回流装置；所述反应容器包括容器腔以及分别设置在容器腔上的第一口、第二口和第三口 ；所述射流喷头伸入第一口，所述搅拌棒伸入第二口，所述冷凝回流装置设置在第三□。
5.根据权利要求4所述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，还包括用于检测空气等离子体射流成分的光谱检测装置。
6.根据权利要求5所述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述搅拌电机及同步装置包括步进电机、步进电机同步装置，所述电机驱动与控制单元连接步进电机，步进电机连接步进电机同步装置，步进电机同步装置连接搅拌棒。
7.根据权利要求6所述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述数据采集与控制单元包括微控制器、显示器、键盘输入单元和器件控制端，微控制器分别连接显示器、键盘输入单元、器件控制端、电机驱动与控制单元、压缩气源、高压电源、气体流量计、电机转动光电检测单元、冷凝回流装置。
8.根据权利要求7所述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述电机驱动与控制单元包括驱动器控制单元、两相步进电机驱动单元，微控制器连接驱动器控制单元，驱动器控制单元连接两相步进电机驱动单元，两相步进电机驱动单元连接搅拌电机及同步装置。
9.根据权利要求8所述的空气等离子体射流水处理实验研究装置，其特征在于，所述反应容器为三口石英反应器，所述反应容器设置在反应器基台上；所述第一供气管道和第二供气管道均为聚四氟乙烯管；所述搅拌电机及同步装置还包括反应器固定杆、机构安装座、搅拌器定位座、滚珠套筒、滚珠套筒固定装置，所述滚珠套筒通过滚珠套筒固定装置安装在反应器固定杆上；滚珠套筒固定连接机构安装座，机构安装座固定连接搅拌器定位座；所述步进电机和步进电机同步装置连接安装在机构安装座上；搅拌棒设置在搅拌器定位座上；所述搅拌棒上设置有搅拌叶片，所述搅拌棒和第二口之间设置有密封活塞；所述冷凝回流装置为球形冷凝管；所述气体流量计通过RS-485接口连接数据采集与控制单元；所述微控制器为STC12系列单片机，驱动器控制单元包括L297芯片，STC12系列单片机连接L297芯片，两相步进电机驱动单元包括两个L6203芯片，L297芯片分别与两个L6203芯片相连，L6203芯片连接搅 拌电机及同步装置；所述光谱检测装置包括光谱仪、光纤固定器、光纤、PC机，光纤固定器将光纤一端固定在反应器基台上，光纤另一端连接光谱仪，光谱仪连接PC机。
【文档编号】C02F1/78GK103482727SQ201310408144
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】高莹, 夏少娴, 杨通, 张梦妮, 陈秉岩, 黄波, 朱昌平, 单鸣雷, 姚澄, 韩庆邦, 王斌 申请人:河海大学常州校区