高效利用活性物质的等离子体耦合超重力装置及其应用

本发明涉及一种超重力装置及其应用。更具体地，涉及一种高效利用活性物质的等离子体耦合超重力装置及其应用。

背景技术：

随着环境问题的日益突出，环保法规逐渐完善，废水废气等的排放标准越来越严格，对处理工艺的要求逐年提高。高级氧化技术具有降解效率高、反应速率快、无二次污染的优点，在环境治理领域有很好的应用前景。等离子体技术作为高级氧化技术中的一种，是近几十年发展起来的一种新技术，由于形成过程中能产生大量的高活性物质、强烈冲击波、紫外辐射，在废水废气等的治理中效果显著。长期以来，活性物质的高效利用一直都是等离子体技术应用的一项挑战。

超重力旋转床通过转子旋转形成离心力场，强化相之间的相对速度和相互接触，具有传质效率高、停留时间短、设备体积小等优点。填料是超重力旋转床的核心结构之一，也是影响反应器内流体传质与混合的关键因素之一，填料的结构、材质、表面性质等均会影响持液量、液滴尺寸和气体压降等流体力学性能，进而影响超重力装置的传质及混合过程。

现有技术中，基于等离子体的高活性以及超重力的强混和特性所设计的等离子体耦合超重力装置，通过旋转圆盘产生的离心力将液体处理为气液界面不断更新的液膜，与放电形成的高活性物质接触，强化气液传质，提高了活性物质利用率。但现有等离子体耦合超重力装置仍然存在如下缺陷：1)进液位置不够优化；2)传质效率不高；3)放电存在短路现象等几个方面。

技术实现要素：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种高效利用活性物质的等离子体耦合超重力装置。本发明等离子体耦合超重力装置可以规避等离子体放电单元的放电短路现象；尤其是本发明强化了传质过程，极大的提高了反应活性物质利用率。

本发明要解决的第二个技术问题是上述等离子体耦合超重力装置的应用。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种高效利用活性物质的等离子体耦合超重力装置，包括壳体、电机、转子、气体进料通道、液体进料通道、气体出口、液体出口和等离子体发生装置；

所述转子包括旋转转盘和填料；

所述电机的旋转轴穿过壳体的底部延伸到壳体内部与旋转转盘固定连接；

所述旋转转盘上固定环形填料；所述环形填料中心形成转子内腔；所述转子与壳体之间的空间形成转子外腔；

所述等离子体发生装置包括等离子体电源和等离子体放电单元；等离子体放电单元包括高压电极和接地电极，所述高压电极和接地电极之间形成放电区域；

所述放电区域出口设置在转子内腔内；所述气体进料通道穿过壳体延伸到放电区域内；

所述液体进料通道穿过壳体延伸到放电区域外侧的转子内腔中。

优选地，所述高压电极和接地电极之间的放电区域间隙距离为1-10mm。

优选地，所述填料为金属板波纹规整填料、泡沫金属填料或金属丝网波纹填料。

进一步地，所述高压电极通过固定板固定在壳体顶面上；高压电极的下方对应的旋转转盘上设有接地电极，等离子电源的一个电极通过导线与高压电极连接；另一个电极通过导线先连接到固定在旋转轴外的电滑环上，然后电滑环再通过导线与接地电极连接。

优选地，所述填料分为主填料区和预分散区，所述预分散区与转子内腔接触，所述主填料区在预分散区外侧；所述预分散区的表面为疏水表面。

进一步地，所述填料分为主填料区和预分散区；所述主填料区和预分散区之间设有空隙，该空隙内设有第二液体进料通道。

进一步地，所述高压电极为轴向竖直圆柱，外侧包围接地电极，也就是接地电极呈轴向竖直圆筒状；高压电极和接地电极之间的空隙为放电区域；所述接地电极外还包覆有绝缘介质层；所述高压电极、接地电极和绝缘介质层形成的同轴式放电单元穿过壳体延伸到转子内腔处；所述放电区域的上端入口为气体进料通道，下端出口通向转子内腔。

进一步地，所述壳体上表面设有中空的圆筒状突起部；所述突起部外环绕有高压金属丝网作为高压电极；所述电机的旋转轴一直延伸到突起部内的中空空间内接近突起部顶部位置，所述高压电极对应的旋转轴外设有多根覆盖有绝缘介质层的接地电极，接地电极通过法兰固定在旋转轴上；所述高压金属丝网与接地电极之间的突起部内空间形成放电区域；所述等离子体电源的一个电极通过电极先与固定在旋转轴顶端的电滑环连接，该电滑环再通过导线与接地电极连接；所述等离子体电源的另一个电极通过导线与高压金属丝网连接；所述气体进料通道设置在突起部的顶端，所述液体进料通道设置在突起部的上部侧壁；所述突起部下端出口形成液体分布器正对填料内侧壁。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种高效利用活性物质的等离子体耦合超重力装置的应用，包括如下步骤：

1)将载气通过气体进料通道输送到等离子体耦合超重力装置的等离子体放电单元的放电区域内；在等离子体放电单元内放电形成高活性物质，并在气压的作用下向靠近填料的转子内腔；

2)将需要处理的废水溶液自液体进料通道输送到转子内腔，高活性物质与废水溶液在进入填料前预先进行混合反应；

3)高活性物质和废水溶液在超重力作用下进入填料内，在填料内废水溶液经填料破碎为液膜、液线和/或液滴等流体微元，这些流体微元与在等离子体放电单元内形成的高活性组分持续接触传质反应；

4)反应后的气体自气体出口排出，液体自液体出口排出。

优选地，步骤1)中，所述载气为空气或氧气。

优选地，步骤2)中，所述废水溶液自液体进料通道进入，以液膜的形式沿着等离子体耦合超重力装置突起部的内壁下落进入等离子体放电单元放电区域，直接和等离子体放电单元内放电形成高活性物质接触传质，随后在液体分布器作用下进入转子内腔持续接触传质。

优选地，所述等离子体耦合超重力装置的转子的转速为400-2500r·min^-1。

优选地，所述等离子体耦合超重力装置的等离子体电源输出电压范围为1-50kv。

本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

本发明的有益效果如下：

1)本发明所设计的等离子体耦合超重力装置将等离子体和超重力两种先进技术耦合在一个反应装置中，设备体积小，操作方便。

2)本发明所设计的等离子体耦合超重力装置通过对进液位置以及放电方式的优化设计，规避了现有技术工作过程中等离子体放电单元容易出现的放电短路现象，提高了活性物质产生量，强化反应过程。

3)本发明所设计的等离子体耦合超重力装置通过将液体处理为液膜、液线、液滴等流体微元，增大了气液有效传质比表面积，提高了活性物质利用率，强化反应过程。

4)本发明所设计的等离子体耦合超重力装置在挥发性有机化合物、氮氧化物、废水等的处理过程中体现出高效、节能、无污染的优点，符合节能环保的时代需求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明

图1为本发明实施例1等离子体耦合超重力装置的结构示意图。

图2为本发明实施例2等离子体耦合超重力装置的结构示意图。

图3为本发明实施例3等离子体耦合超重力装置的结构示意图。

图4为本发明实施例4同轴式介质阻挡放电等离子体耦合超重力装置的结构示意图。

图5为本发明实施例5多线筒式介质阻挡放电等离子体耦合超重力装置的结构示意图。

图6为利用实施例5的等离子体耦合超重力装置进行废水处理的工艺流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

参见图1所示，一种高效利用活性物质的等离子体耦合超重力装置100，包括壳体110、电机120、转子130、气体进料通道140、液体进料通道150、气体出口160、液体出口170和等离子体发生装置180；

所述转子130包括旋转转盘131和填料132；

所述电机120的旋转轴121穿过壳体110的底部延伸到壳体内部与旋转转盘131固定连接；

所述旋转转盘131上固定环形填料132；所述环形填料132中心形成转子内腔133；所述转子130与壳体110之间的空间形成转子外腔134；

所述等离子体发生装置180包括等离子体电源181和等离子体放电单元182；等离子体放电单元182包括高压电极183和接地电极184，所述高压电极183和接地电极184之间形成放电区域185；所述高压电极183通过固定板固定在壳体110顶面上；高压电极183的下方对应的旋转转盘131上设有接地电极184(或者旋转转盘本身作为接地电极)，等离子体电源181的一个电极通过导线与高压电极183连接；另一个电极通过导线先连接到固定在旋转轴121外的电滑环122上，然后电滑环122再通过导线与接地电极184连接；

所述放电区域185出口通向转子内腔133；所述气体进料通道140穿过壳体110延伸到放电区域185内；

所述液体进料通道150穿过壳体110延伸通向放电区域185外侧的转子内腔133中。

本实施例超重力装置100在使用时，载气(氢气或氧气等)由气体进料通道140进入放电区域185内，在等离子体放电单元内放电形成大量活性物质，经等离子体放电单元内放电形成大量活性物质；这些活性物质和来自液体进料通道160的液体进行预混合反应，液体与活性物质预混后进入填料，在电机转动产生的离心力作用下与填料接触，破碎为液膜、液线、液滴等流体微元，在填料区域与形成的活性物质高效接触传质。本发明装置极大的提高了反应活性物质利用率；且液体不进入放电区域，规避了等离子体放电单元的放电短路现象。

作为本发明优选的实施例，所述高压电极和接地电极之间的放电区域间隙距离为1-10mm。

作为本发明优选的实施例，所述填料为金属板波纹规整填料、泡沫金属填料或金属丝网波纹填料。

实施例2

参见图2所示，重复实施例1，其不同之处在于：

所述填料132分为主填料区135和预分散区136，所述预分散区136与转子内腔133接触，所述主填料区135在预分散区136外侧；所述预分散区136的表面为疏水丝网。

具体应用时，由液体进料通道150进入超重力装置的液体首先与疏水丝网接触，随后进入主填料区135区域，疏水丝网的存在使液体在主填料区135中分散的更加均匀，进一步提高活性物质利用率，强化反应过程。

实施例3

参见图3所示，重复实施例1，其不同之处在于：

所述填料132分为主填料区135和预分散区136；所述主填料区135和预分散区136之间设有空隙，该空隙内设有第二液体进料通道151。

具体应用时，液体采用分段注入的方式，充分利用了等离子体耦合超重力装置100的端效应区，增大了液体在填料132区的破碎程度，提高了活性物质利用率，强化反应过程；此外，对于某些分段反应或者需要多个反应物混合的反应，可以通过控制两个反应液体的相对加入时间、浓度、用量等，进而调控反应的次序，提高目标产物的收率。

实施例4

参见图4所示，一种高效利用活性物质的同轴式介质阻挡放电等离子体耦合超重力装置100，包括壳体110、电机120、转子130、气体进料通道140、液体进料通道150、气体出口160、液体出口170和等离子体发生装置180；

所述转子130包括旋转转盘131和填料132；

所述电机120的旋转轴121穿过壳体110的底部延伸到壳体内部与旋转转盘131固定连接；

所述旋转转盘131上固定环形填料132；所述环形填料132中心形成转子内腔133；所述转子130与壳体110之间的空间形成转子外腔134；

所述等离子体发生装置180包括等离子体电源181和等离子体放电单元182；等离子体放电单元182包括高压电极183、接地电极184和石英介质186；所述高压电极183为轴向竖直圆柱，外侧包围接地电极184，也就是接地电极呈轴向竖直圆筒状；高压电极183和接地电极184之间的空隙为放电区域185；所述接地电极184外还包覆有石英介质186；所述高压电极183、接地电极184和石英介质形成的同轴式放电单元穿过壳体110延伸到转子内腔133处；所述所述放电区域185的上端入口为气体进料通道140，下端出口通向转子内腔133；所示等离子体电源181的一个电极通过导线与高压电极183连接；另一个电极通过导线与接地电极184连接；

所述液体进料通道150穿过壳体110延伸通向放电区域185外侧的转子内腔133中。

本实施例超重力装置100在使用时，载气(氢气或氧气等)由气体进料通道140进入放电区域185内，在等离子体放电单元内放电形成大量活性物质，经等离子体放电单元内放电形成大量活性物质，随后在气压作用下进入旋转腔室；这些活性物质和来自液体进料通道160的液体进行预混合反应，液体与活性物质初次预混后进入填料，在电机转动产生的离心力作用下与填料接触，破碎为液膜、液线、液滴等流体微元，在填料区域与形成的活性物质再次高效接触传质。本发明装置极大的提高了反应活性物质利用率；液体不进入放电区域且所述接地电极184外还包覆有石英介质186，规避了等离子体放电单元的放电短路现象。

实施例5

参见图5所示，一种高效利用活性物质的多线筒式介质阻挡放电等离子体耦合超重力装置100，包括壳体110、电机120、转子130、气体进料通道140、液体进料通道150、气体出口160、液体出口170和等离子体发生装置180；

所述转子130包括旋转转盘131和填料132；

所述电机120的旋转轴121穿过壳体110的底部延伸到壳体内部与旋转转盘131固定连接；

所述旋转转盘131上固定环形填料132；所述环形填料132中心形成转子内腔133；所述转子130与壳体110之间的空间形成转子外腔134；

所述等离子体发生装置180包括等离子体电源181和等离子体放电单元182；等离子体放电单元182包括高压电极183和接地电极184；所述壳体110上表面设有中空的圆筒状突起部111；所述突起部111外环绕有高压金属丝网作为高压电极183；所述电机120的旋转轴121一直延伸到突起部111内的中空空间内接近突起部顶部位置，所述高压电极183横向对应的旋转轴121外设有多根覆盖有石英介质(图中未示出)的接地电极184，接地电极184通过法兰187固定在旋转轴121上；所述高压金属丝网183与接地电极184之间的突起部111内空间形成放电区域185；所述等离子体电源181的一个电极通过导线先与固定在旋转轴121顶端的电滑环123连接，该电滑环123再通过导线与接地电极184连接；所述等离子体电源181的另一个电极通过导线与高压金属丝网183连接；所述气体进料通道140设置在突起部111的顶端，所述液体进料通道150设置在突起部111的上部侧壁；所述突起部111下端出口形成液体分布器112正对填料内侧壁；

所述液体进料通道150穿过壳体110延伸通向放电区域185外侧的转子内腔133中。

具体应用时，等离子体电源接通后，在放电区域内空气、氧气等载气放电形成大量活性物质，在气压的作用下进入旋转腔室；液体首先经过液体进料通道进入放电区域，在接地电极的内壁形成均匀的液膜，沿着器壁往下流动，与放电形成的高活性物质发生原位氧化作用，随后通过液体分布器进入填料区域，再次破碎为细小的流体微元，在填料中与放电形成的长寿命粒子继续发生反应，进一步被氧化处理，充分高效的利用了活性物质，强化反应过程，提高反应速率。且由于本装置的接地电极外覆盖石英介质，能够避免等离子体放电单元的放电短路现象。

实施例6

参见图6所示，一种实施例5所述的等离子体耦合超重力装置的应用，包括如下步骤：

1)使用储气罐200将载气通过气体进料通道140输送到等离子体耦合超重力装置100的等离子体放电单元的放电区域185内；在等离子体放电单元内放电形成高活性物质，并在气压的作用下向靠近填料的转子内腔133；

2)将需要处理的废水溶液自液体进料通道150进入，以液膜的形式沿着等离子体耦合超重力装置突起部111的内壁下落进入等离子体放电单元放电区域185，直接和等离子体放电单元内放电形成高活性物质接触传质，随后在液体分布器112作用下进入转子内腔持续接触传质；

3)高活性物质和废水溶液在超重力作用下进入填料132内，在填料内废水溶液经填料破碎为液膜、液线和/或液滴等流体微元，这些流体微元与在等离子体放电单元内形成的高活性组分持续接触传质反应；

4)反应后的气体自气体出口160排出，液体自液体出口170排出到储水槽300循环使用。

步骤1)中，所述载气为空气或氧气；

所述等离子体耦合超重力装置的转子的转速为400-2500r·min^-1；

所述等离子体耦合超重力装置的等离子体电源输出电压范围为1-50kv。

实施例7

按实施例6的步骤，采用实施例1(图1所示)的装置对含四环素的废水进行降解实验：四环素水溶液的初始浓度为200mg·l^-1，流量计调节体积流量为80l·h^-1，在泵输送作用下进入反应器装置；气体钢瓶为氧气钢瓶，体积流量调节为60l·h^-1，通入等离子体放电单元内放电产生大量活性物质。旋转床转速设为800r·min^-1，等离子体电源的脉冲峰值电压设为24kv，选择不锈钢丝网作为填料材质。在超重力环境下，四环素溶液与活性物质在填料区域充分接触，降解率可达到85％以上。

实施例8

按实施例6的步骤，采用实施例1(图1所示)的装置对含布洛芬的废水进行降解实验。布洛芬水溶液的初始浓度为60mg·l^-1，体积流量调节为70l·h^-1；气体钢瓶为氧气钢瓶，体积流量调节为60l·h^-1。旋转床转速为800r·min^-1，等离子体电源的脉冲峰值电压为28kv，选择不锈钢丝网作为填料材质。在超重力环境下，布洛芬溶液与放电产生的活性物质充分接触，降解率可达到85％以上。

实施例9

按实施例6的步骤，采用实施例1(图1所示)的装置对含有nox的废气进行净化处理。将含有1000mg/m³的nox废气从气体入口通入反应器，使用氧气作为载气，在等离子体放电单元内no被氧化为no2，随后进入填料区域，与浓度为0.02mol·l^-1的naclo2和尿素溶液所组成的混合吸收剂接触传质，nox的脱除率可达到85％以上。

实施例10

按实施例6的步骤，采用实施例4(图4所示)的装置对含四环素的废水进行降解实验，该反应器的等离子体放电单元结构为同轴式介质阻挡放电，能产生大面积的均匀放电，提高了活性物质的产率，在填料区与形成的流体微元接触传质，发现最终四环素的降解率可达到90％以上。

实施例11

按实施例6的步骤，采用实施例5(图5所示)的装置对含四环素的废水进行降解实验，其工艺流程图如图6所示，该反应器的等离子体放电单元结构为多线筒式介质阻挡放电结构，同时接地线电极在转轴带动下旋转用以提高放电均匀性，等离子体放电单元和填料区域同时对废水进行处理，提高了活性物质利用率，发现最终四环素的降解率可达到95％以上。

实施例12

按实施例6的步骤，采用实施例2(图2所示)的装置对含四环素的废水进行降解实验，由液体分布器出口进入反应器的四环素水溶液首先与疏水丝网接触，随后进入填料区域，使液体在填料区分散的更加均匀，进一步强化了活性物质与液体之间的传质效率，发现最终四环素的降解率有所提升，可达到90％以上。

实施例13

按实施例6的步骤，采用实施例3(图3所示)的装置对含四环素的废水进行降解实验，借助分段进液的方式，充分利用了等离子体耦合超重力装置的端效应区，进一步强化放电产生的活性物质与液相的接触与传质，发现最终四环素的降解率有所提升，可达到90％以上。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。