专利名称：气液混合放电降解水中有机污染物的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于低温等离子体技术在环境污染控制领域的应用，涉及利用高 压脉冲放电产生的高活性化学粒子降解水中有机污染物装置。
背景技术：
目前制药、印染、化工、石油等行业造成了大量工业废水，这类废水排放 量大、水质复杂、有毒有害污染物含量高、分布范围广，给传统的水处理工艺
提出了新的考验。近30年来，针对这些难降解的废水兴起了一些新的水处理技 术，其中高压脉冲放电由于其电子传输过程能量释放的多样性和其在环境污染 治理方面的应用引起了广泛的关注。
液相高压脉冲放电，通过施加陡前沿、窄脉冲的脉冲高压于非平衡的地极 和高压电极之间，使质量超轻的电子瞬间获得能量而加速，离子由于其较大的 质量而难以在瞬间获得加速。电子获得能量后变为高能自由电子，在运动过程 中与其它分子碰撞，使分子解离，引发一系列化学过程，导致活性物质如 H202、 .OH 、 O、 H(V等的产生。这些活性物质与有机污染物碰撞，使水中的 有机污染物降解为二氧化碳、水和无毒的副产品。在这些过程中，由于分子的 电离、跃迁等会产生一些物理效应如紫外光、超声、冲击波、局部高温等，这 些物理过程也会促使有机污染物的降解。
在鼓入空气或氧气条件下的液相高压脉冲放电，除以上化学过程和物理效 应外还能产生臭氧，提高有机污染物的降解率。但气流流速快、气泡大，臭氧 与水中有机污染物接触面积小且停留时间短，造成臭氧的利用率低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种具有有机污染物的 降解率高的气液混合放电降解水中有机污染物的装置。
气液混合放电降解水中有机污染物的装置包括两种技术方案 方案l是包括反应器、反应器外体的冷却夹层以及反应器内的高压电极、 地电极和外部的高压脉冲电源，反应器的底部设置砂芯，高压电极位于砂芯的 上表面，由数根细尖针并联后通过导线与高压脉冲电源连接，尖针直径小于
0.25mm，地电极在气相和上层溶液的界面上，通过固定杆及接线螺母接地，地 电极的厚度为0.3 2mm，其直径比反应器内筒直径小1 4mrn，高压电极1与地 电极2之间的距离小于200mm，地电极2与气液界面7之间的距离小于2mm。 方案2是包括反应器、反应器外体的冷却夹层以及反应器内的高压电极、 地电极和外部的高压脉冲电源，其特征是反应器的底部设置砂芯，地电极位 于砂芯的上表面，地电极的厚度为0.3~2mm，其直径比反应器内筒直径小 l~4mm，高压电极在气相和上层溶液的界面上，通过固定杆及接线螺母接地， 由数根细尖针并联后通过导线与高压脉冲电源连接，尖针直径小于0.25mm，高 压电极1与地电极2之间的距离小于200mm，地电极2与气液界面7之间的距 离小于2mm。
以上两种方案的改进方案还包括在上层溶液中垂直方向设置有数层相互 平行金属阻挡网，金属阻挡网固定在固定杆上，均匀分布于上层溶液中；高压 针电极的极性可以转换，如改变高压脉冲电源的设置，施加负高压脉冲时，高 压针电极的极性由原来的正高压脉冲变为负高压脉冲；施加正负高压脉冲时， 高压针电极的极性从正高压脉冲到负高压脉冲循环改变。
本装置的有益效果是把液相反应器和气相放电反应器有机结合起来，结构
简单，制作方便。
1. 砂芯布气，降低了起晕电压且使放电均匀。
2. 最大化利用了放电产生的化学活性粒子，特别是气态的臭氧，在经过多 层金属网的阻挡后，利用率更高。
3. 如果添加活性炭纤维的吸附催化、芬顿试剂与高压脉冲放电形成协同效 应，更大限度提高有机污染物的降解效率。
附图是装置的结构示意图。
具体实施方式
气液混合放电降解水中有机污染物的装置如图1所示，图中，液相高压电 极l、气相地电极2、不锈钢金属阻挡网3、砂芯4、气相5、添加活性炭纤维和 亚铁离子的有机废水溶液(液相)6、气液界面8、固定杆9、固定螺母IO、接 线螺母ll、接地线12、反应器内筒(有机玻璃)13、反应器(有机玻璃)外筒 14、冷却水夹层15、冷却水入口 16、冷却水出口 17、取样管18、出气口 19、 进气口20、高压脉冲电源引线21、气泡22、气层23、流光24、气室25。
砂芯4位于下层溶液的底部，使从气室25鼓入反应器下层溶液6中的空气 泡均匀分布，气泡直径在2mm左右，降低起晕电压且使放电均匀。砂芯可选择 G, G6不同的型号(G, G6代表其孔径分布大小)，.孔径分布越小，产生的气泡 直径小且越均匀、比表面积大，有利于表面反应和活性粒子向液相扩散。砂芯 也可以用其它的多孔材料代替，如多孔陶瓷等。鼓入的气体可以是空气、氧气、 氢气、氮气、氩气等也可以是两种或两种以上气体的混合气体，如鼓入氧气， 在液相和气相可以产生03、 ()、 CV等分子、活性粒子和离子；鼓入氧气和其他 气体的潘合气体，在液相和气相除产生03、 0、 (V外，还可以产生其他分子、
活性粒子和离子，从而提高有机污染物的降解率。
液相中的高压电极1位于砂芯4的上表面，由五根针灸针(也可少于或多 于五根)并联后通过引线21与高压脉冲电源(没画出)连接，每根针的直径为 0.25mm。针尖端以下部分尽可能地绝缘，使能量的损耗减小到最小，也可以不 绝缘，并无严格要求。针尖可能地尖，以便在针尖周围产生局部集中而又非常 强的电场，使电子获得更高的能量。高压电极也可以是其他金属，如不锈钢、 银、铂、钨、镍铬合金等金属细丝，直径小于0.25mm。
高压针电极1的极性可以转换，如改变高压脉冲电源的设置，施加负高压 脉冲时，高压针电极1的极性由原来的正高压变为负高压；施加正负高压脉冲 时，高压针电极1的极性一个周期改变两次。
不锈钢圆盘地电极2在气相5和上层溶液6的界面上，通过不锈钢固定杆9 及接线螺母11直接接地。不锈钢圆盘的厚度为2mm，其直径比有机玻璃内筒直 径小lmm，气体从不锈钢圆盘和有机玻璃内筒之间的缝隙进入上层溶液中，上 层溶液6又可以沿着内筒壁流下来与下层溶液6构成循环。
高压电极1与不锈钢圆盘地电极2之间的距离，通过不锈钢固定杆9和固 定螺母10上下调整，可在小于200mm范围内变化；不锈钢圆盘地电极2与气 液界面7之间的距离，通过调解进气量与不锈钢圆盘和有机玻璃内筒之间的缝 隙大小调整，可在小于2mm范围内变化。在本发明中，高压针电极l与不锈钢 圆盘地电极2之间的距离为17mm，不锈钢圆盘地电极2与气液界面7之间的最 佳距离为16mm。
地电极可以是其它电的良导体材料，也可以是电的不良导体镀上金属(如 铂、钯、铑等)，还可以是多孔的导电材料。
高压针电极1和不锈钢圆盘地电极2的极性可以颠倒，针电极1作地极，
不锈钢圆盘电极2作高压电极。
不锈钢金属阻挡网3固定在不锈钢固定杆9上，均匀分布于上层溶液6中， 使气态臭氧在上升过程中受阻，在不锈钢金属网3的下表面形成气层，增加在 溶液6中的停留时间，同时溶液在不锈钢金属网3上形成液膜，增大了臭氧与 有机污染物的接触面积，使臭氧和上层溶液6中的有机污染物充分反应，提高 臭氧的利用率。此外，不锈钢金属网3在臭氧与溶液6中的有机污染物反应过 程中还可能起催化作用。
两层阻挡网的间距大小可以调节，根据处理液量，也可适当增加阻挡网的 层数。在本装置中，设置5层阻挡网，两层阻挡网的间距为20mm。阻挡网可以 用其它多孔材料代替，如多孔陶瓷、分子筛等，孔径大小可根据需要选择。
有机玻璃内筒B和有机玻璃外筒14之间的冷却水夹层15中装有冷却水， 也可以是其它冷却液，用蠕动泵(没画出)使冷却水(液)在冷却水入口 16和 冷却水出口17构成循环，保持恒温反应，防止反应器过热(过热使臭氧的溶解 度降低)。
气体通过气体流量计(没画出)后进入出气口 19，以便控制和测量气体流 量，在出气管19后连接气态臭氧分析仪，以便分析排出废气中的臭氧含量。反 应器内外筒可以用石英玻璃或其它透明材料，或其它绝缘材料留有透明窗孔， 以便接光谱分析设备。
本装置的反应器，尽可能用高压脉冲电源供电。在陡前沿、窄脉冲放电过 程中，液相产生H202、 'OH、 03、 ()、 H2、 *H、 (V及其它分子、离子和活性粒 子；气相产生03、 0、 ，OH及其它分子、离子和活性粒子。由于增加了 03、 ，0、 *OH 和其它激发态的粒子，从而提高有机污染物的降解效率。
在溶液6中加入活性炭纤维和亚铁离子后能显著提高降解率。活性炭纤维 一方面起吸附作用，另一方面多孔的活性炭纤维表面还起催化作用，使吸 附在活性炭纤维表面的有机污染物加速降解。亚铁离子与放电过程中产生的 11202作为芬顿试剂，加快反应速度，与高压脉冲放电和活性炭纤维的吸附催化
形成协同效应。在本发明中，硫酸亚铁的最佳投加量为1.4g/L。可在活性炭纤维 上负载光催化剂，利用放电过程中的紫外光产生光催化作用，进一步提高降解率。
取样管18从反应器上盖穿入到上层溶液6中，便于随时取样分析，监翻反 应进度，取样管材料的选择应满足抗氧化、耐腐蚀、不参与反应的条件。 应用实例1 ，本装置降解甲基橙的有效性。
通过不添加活性炭纤维和硫酸亚铁的气液混合放电反应器和传统液相参考 反应器对比，来说明降解甲基橙的有效性，这两种反应器的有机玻璃内筒直径 都为40mm。气液混合放电反应器的高压电极由五根直径0.25mm的针灸针组成， 针间距12mm，针高出砂芯表面16mm。地电极用直径为38mm、 2mm厚的不锈 钢板，两电极之间的距离为17mm，地电极到气液界面的间距为16mm。参考反 应器的高压电极由五根9号注射针组成，地电极用直径为30mm、 2mm厚的不 锈钢板，两电极之间的距离为17mm。这两种反应器都用高压脉冲电源供电， 峰值电压为40KV，频率为50Hz，甲基橙水溶液的浓度是40ppm,处理液量 150ml，空气流量0.08mVh，处理时间为30分钟，采样间隔为6分钟，重复3 次，取平均值，用UV762紫外-可见光分光光度计测溶液的吸光度，误差小于 3%。气液混合放电反应器降解率为74.65%，参考反应器的降解率为63.58°/0, 气液混合放电反应器的降解率比参考反应器高11个百分点，说明气液混合放电 反应器的性能优于参考反应器。
权利要求1、一种气液混合放电降解水中有机污染物的装置，包括反应器、反应器外体的冷却夹层以及反应器内的高压电极、地电极和外部的高压脉冲电源，其特征是反应器的底部设置砂芯，高压电极位于砂芯的上表面，由数根细尖针并联后通过导线与高压脉冲电源连接，尖针直径小于1mm，地电极在气相和上层溶液的界面上，通过固定杆及接线螺母接地，地电极的厚度为0.1～2mm，其直径比反应器内筒直径小1～4mm，高压电极1与地电极2之间的距离小于200mm，地电极2与气液界面7之间的距离小于20mm。
2、 根据权利要求1所述的气液混合放电降解水中有机污染物的装置，其特 征是在上层溶液中垂直方向设置有数层相互平行金属阻挡网，金属阻挡网固定 在固定杆上，均匀分布于上层溶液中。
3、 一种气液混合放电降解水中有机污染物的装置，包括反应器、反应器外 体的冷却夹层以及反应器内的高压电极、地电极和外部的高压脉冲电源，其特征 是反应器的底部设置砂芯，地电极位于砂芯的上表面，地电极的厚度为0.1 2mm，其直径比反应器内筒直径小1 4mm，高压电极在气相和上层溶液的界 面上，通过固定杆及接线螺母接地，由数根细尖针并联后通过导线与高压脉冲电 源连接，尖针直径小于lmm，高压电极1与地电极2之间的距离小于200mm， 地电极2与气液界面7之间的距离小于20mm。
4、 根据权利要求3所述的气液混合放电降解水中有机污染物的装置，其特 征是在上层溶液中垂直方向设置有数层相互平行金属阻挡网，金属阻挡网固定 在固定杆上，均匀分布于上层溶液中。
专利摘要本实用新型属于低温等离子体技术在环境污染控制领域的应用，涉及利用高压脉冲放电产生的高活性化学粒子降解水中有机污染物的装置，尤其是气液混合放电反应器。其方案是砂芯使鼓入反应器下层溶液的气体均匀分布，高压脉冲电源向液相中的高压电极和气相中的地电极施加高压脉冲，在高强电场作用下，利用液相产生的低温等离子体和气相产生的臭氧直接作用于有机污染物，上层溶液中的不锈钢金属阻挡网可提高臭氧的利用率。如果在溶液中加入活性炭纤维和亚铁离子，活性炭纤维的吸附催化、芬顿试剂与高压脉冲放电形成协同效应，实现了高效的水体杀菌、废水脱色、除臭特别是催化降解有毒、难生化处理的有机污染物的目标。
文档编号C02F1/46GK201010551SQ200620010399
公开日2008年1月23日 申请日期2006年9月26日 优先权日2006年9月26日
发明者颖 刘, 张延宗, 张玉贞, 曲险峰, 赵玉翠, 郑经堂, 陈宏刚 申请人:中国石油大学(华东)