水下密集气泡微波放电水处理反应器的制作方法与工艺

本发明涉及一种反应器，具体涉及水下密集气泡微波放电水处理反应器。

背景技术：
现有水下放电反应器大多采用针-针、针-板、多针-板或多针-多针结构，通常直接在水使用高压脉冲激励，产生电晕或电弧放电，主要应用于研究水下放电特性。这些水下放电反应器存在放电困难、放电区域小、处理效率低和成本高等缺点，不适合应用于处理大流量的废水。另外，使用微波源经过波导管引入谐振腔，由于待处理的水通常具有导电特性，直接使用微波在谐振腔内的水中产生放电非常困难，且现有的水下微波放电反应器主要用于科学研究，不能处理流动状态的水，也不具备反应物系统的扩散调控功能。

技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种能够处理大流量废水的水下密集气泡微波放电水处理反应器，放电简单，成本低，能够有效降低反应活化能，协同提高废水降解的活化反应速率。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：本发明的水下密集气泡微波放电水处理反应器，包括底座、安装在底座上的壳体、储水箱、泵组件、阀门组件、微波源、用于实现微波源与谐振腔之间功率及负载匹配的功率调配器、可与PC机进行数据通信的数据采集及控制单元、水下密集气泡流体产生装置、安装在壳体上用于检测放电区域放电光谱的光谱检测器；壳体的下方设有反应器进气口及反应器进水口，壳体的上方设有反应器出水口及反应器出气口；壳体内设有上下两层绝缘网、位于绝缘网两侧的放电管和位于底层绝缘网下方的曝气装置，所述绝缘网与放电管围成的区域内设有多个负载催化剂的石英小球，所述放电管外环绕有谐振腔，所述谐振腔通过功率调配器连接有波导管，所述波导管的另一端与微波源相连接；光谱检测器与数据采集及控制单元的输入端相连接，所述数据采集及控制单元的输出端连接泵组件、阀门组件、微波源、水下密集气泡流体产生装置的驱动器，所述泵组件及阀门组件在数据采集及控制单元的控制下，实现水处理通道的选择和气体的循环。上述反应器出水口安装有气液分离器；所述阀门组件包括设置在干净水源出水管上的第一阀门、设置在储水箱出水管上的第二阀门、设置在进气管道上的第三阀门、设置在储水箱进水管上的第四阀门和设置在单次处理水出水管上的第五阀门；所述泵组件包括气泵和液压泵；所述干净水源出水管的另一端、储水箱出水管的另一端均与反应器进水口相连接，所述液压泵安装在反应器进水口处；所述储水箱进水管的另一端和单次处理水出水管的另一端均与气液分离器出水口相连接；所述进气管道一端与反应器进气口相连接，另一端与反应器出气口及气液分离器出气口相连接，所述气泵安装在反应器进气口处。上述绝缘网的板厚为1.5-3.0mm，绝缘网上均匀分布有多个孔洞，每个孔洞的孔径为0.5-2.5mm，相邻两个孔洞中心间距为1.0-6.0mm，板厚1.5-3.0mm。上述放电管采用的是聚四氟乙烯、高密度聚丙烯、陶瓷或者石英。上述水下密集气泡流体产生装置采用的是用于产生水下密集气泡流体的超声空化装置。上述超声空化装置包括超声电源和安装在壳体底部的超声换能器，所述超声换能器与超声电源相连接，所述超声电源与数据采集及控制单元相连接。上述水下密集气泡流体产生装置采用的是用于产生水下密集气泡流体的机械搅拌装置。上述机械搅拌装置包括设置在壳体底部的调速电机、设置在壳体内的搅拌器和与调速电机输入端相连接用于控制调速电机的调速驱动器，所述调速电机的转轴穿过壳体与搅拌器相连接，所述调速驱动器与数据采集及控制单元相连接。上述光谱检测器具体采用的是石英玻璃管或者发光光谱仪，所述石英玻璃管的底部紧贴放电区域，所述发光光谱仪的光纤探头伸入壳体内部。上述壳体的两侧设有绝缘筒，所述底座和绝缘筒采用的是聚四氟乙烯板材制作。本发明的有益效果如下：本发明采用超声空化和机械扰动两种手段，首先在微波谐振腔的水中建立密集气泡群，降低放电难度，并将微波源通过波导管传输并匹配到微波谐振腔中，在带有密集气泡群的气液两相流中产生放电。同时，通过超声波和机械搅拌等物理扰动，提升气液两相流间的扩散和传质，有效提高扩散反应速率；并综合利用放电产生的紫外线和臭氧，构建水下多相催化反应系统，有效降低反应活化能，协同提高废水降解的活化反应速率。附图说明图1为微波源及传输波导装置图；图2为变频超声功率密度调控原理示意图(变频调制信号波形)；图3为变频超声功率密度调控原理示意图(高-中频超声功率密度调制波)；图4为实施例一的水下密集气泡微波放电水处理反应器结构示意图；图5为绝缘网结构示意图；图6为双路超声功率信号发生电路；图7为压电换能器匹配电路(串联电感与并联电容匹配结构)；图8为压电换能器匹配电路(串联电感T型匹配网结构)；图9为实施例一的超声空化水下密集气泡微波放电处理单元连接图；图10为实施例二的水下密集气泡微波放电水处理反应器结构示意图；图11为实施例二的超声空化水下密集气泡微波放电处理单元连接图；图中各标号：底座1、壳体2、储水箱3、液压泵4-1、气泵4-2、第一阀门5-1、第二阀门5-2、第三阀门5-3、第四阀门5-4、第五阀门5-5、微波源6-1、波导管6-2、功率调配器6-3、谐振腔6-4、数据采集及控制单元7、超声电源8-1a、双频超声换能器8-2a、调速驱动器8-1b、调速电机8-2b、搅拌器8-3b、光谱检测器9、反应器进气口10-1、反应器进水口10-2、反应器出气口10-3、反应器出水口10-4、绝缘网11、孔洞11-1、放电管12、曝气装置13、石英小球14、气液分离器15、绝缘筒16。具体实施方式为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。本发明在气液固三相混合系统中产生微波放电等离子体，并使用放电产生的活性物质处理水。固相采用负载二氧化钛TiO2薄膜的石英小球14或石英砂，液相为被处理的水，气相为通入水中的气流。在外加超声或机械搅拌力的作用下，流动的水中动态形成密集气泡群，气液两相流在固相的空隙中流动，水中气泡在微波激励下产生击穿放电，放电产生的活性物质在气液两相之间发生快速扩散和传质，促进水中有毒害物质与放电活性物质的反应扩散速率，达到提升扩散反应速率的目的。另一方面，放电产生的紫外线(UV)与石英小球14外表面的TiO2薄膜、水和气体之间形成多项催化反应系统，固态催化剂有效降低了反应活化能，从而提升水处理的活化反应速率。图1所示的是微波源以及传输波导的装置图，微波源使用的是型号为HMG-2010/20/30/50功率为1/2/3/5kW的程控微波源，或者使用2M210-M1/2M244-M1/2M167B-M11等型号的微波磁控管，微波频率为2.45GHz，该微波源提供的最大功率为1000W。微波源6-1连接波导管6-2、匹配调节器、监视耦合窗、谐振腔6-4相连接，当微波源6-1工作时，微波由波导管6-2进入反应器，通过匹配调节器对波型以及反射进行微调，而耦合窗使大气压下的波导与真空系统隔离。微波源6-1可以控制输入功率的大小，也可以测量反射功率的大小。微波源6-1频率为2.45GHz的工业微波，其自由空间波长是12.24cm，谐振腔6-4的半径设置为微波波长的整数倍，腔中电磁场分布出现多模结构。波导管6-2选用圆形或矩形波导管6-2，为使微波能顺利在波导管6-2中传播，波导管6-2的弯曲程度不超过1/4波长(3.06cm)。在谐振腔6-4内边缘开有散热翅片，在谐振腔6-4中心放置管状的石英或陶瓷材料气液两相反应器，利用微波放电等离子体处理水。反应器设计的优点：(1)使用石英或陶瓷反应器，使微波穿过而不被吸收；(2)含有密集气泡的气液两相流，可以有效降低微波放电的难度；(3)超声或机械搅拌，增强了气液两相之间的扩散与传质，催化剂减小了反应活化能，从而可以有效提升水处理的反应速率。固相催化材料的制作负载TiO2薄膜的石英小球14或石英砂的制作工艺，石英小球14的直径为1.0-4.0mm，将多粒石英小球使用钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)酒精溶液反复浸泡并晾干，在石英小球表面水解生成厚度为50-200nm的钛酸薄膜，然后再将石英小球放在350～400℃的炉内焙烧脱水2小时，形成TiO2薄膜；或者直接使用粒径为20-200nm，比表面积≥30m2/g的TiO2水基浆料(七色光科技)，涂覆石英小球形成TiO2浆料膜，再将石英小球放在350～400℃的炉内焙烧脱水1.5-2.0小时，形成固化的TiO2薄膜。如果选用石英砂，则选择粒径为0.2-2.0mm石英砂烧结形成多孔石英砂块，用浸渍提拉法在石英砂上均匀涂敷并烧结形成厚度分别为50-200nm的TiO2薄膜。其具体做法是，将多孔石英砂块浸入钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)酒精溶液中并慢速向上提拉，并施加流动的空气促进酒精挥发，溶液在石英砂表面水解生成钛酸薄膜。然后再将多孔石英砂块放在350～400℃的炉内焙烧脱水2小时，形成TiO2薄膜；或者直接使用粒径为20-200nm，比表面积≥30m2/g的TiO2水基浆料(七色光科技)，将多孔石英砂反复浸入浆料，块形成TiO2浆料膜，再将多孔石英砂块放在350～400℃的炉内焙烧脱水1.5-2.0小时，形成固化的TiO2薄膜。实施例12.1超声空化水下密集气泡流体的产生在含气液体内施加超声波，使气泡在超声的作用下产生稀疏和压缩震动，在特定的超声频率下，特定的气泡产生快速生长、收缩、再生成、再收缩，从而产生快速的爆裂生产密集气泡；同时，气泡的周期性的振荡或崩裂瞬间，产生短暂的局部高温和高压，从而引发力学、热学、化学等效应。设备特点：适用环境广泛，耐温耐压范围宽；结构型式多样，可根据需要采用中置式、底附式、侧附式等超声辐射方式；结构紧凑，超声密度大、无死角，处理速度快，处理量大，操作方便等特点。根据超声空化原理，水中气泡的共振频率是尺寸的函数，外加超声波可以与空泡发生作用。假设液体密度为ρ，半径为Re、比热比为γ(等温条时γ＝1)、表面张力系数为σ、流体压力为Ph的空泡固有振动频率fr表达式为：使用频率为fa的超声波激励空泡，当fa＝fr时，气泡处于共振状态(不破裂)；当fa<fr时,气泡会崩溃；fa>fr时,气泡不会崩溃。本发明应用如图2所示的变频功率密度调制超声波激励含气液体，动态产生和筛选气泡。图4是使用由双频超声换能器8-2a，在如图2和图3所示的变频功率超声激励下产生水下密集气泡微波放电的反应器结构图。反应器由双频超声换能器8-2a、曝气装置13、谐振腔6-4、波导管6-2、放电管12、负载催化剂石英小球、光学观测口、绝缘支架、底座1、进水口、进气口、出水口、出气口和顶盖等单元组成。其中，石英小球放置在两层绝缘网11之间；双频超声换能器8-2a安装在反应器的底部，换能器在超声电源8-1a的驱动在水中产生空化和扰动，产生含有密集气泡的气液混合相流体；光学观测窗，采用一段封闭的石英玻璃管，插入反应器内，石英玻璃管的底部紧贴放电区域，可将发光光谱仪的光纤探头深入光学观测窗检测放电光谱；反应器的底座1和绝缘筒16使用聚四氟乙烯板材制作；石英小球放置在放电管12内，放电管12外由微波谐振腔6-4环绕，放电管12使用聚四氟乙烯、高密度聚丙烯、陶瓷或石英等不吸收或微量吸收微波的材料制作，为了便于观察，放电管12使用石英玻璃制作；壳体2的下方设有反应器进气口10-1及反应器进水口10-2，壳体2的上方设有反应器出水口10-4及反应器出气口(10-3)。气相和液相在超声波的作用下形成含有密集气泡的气液两相流，在反应器内部自下而上流动，经放电和催化处理后从反应器的上端出气口和出水口排出。(2)阻拦绝缘网板图4所示的反应器内，在上端和下端分别安装图5所示的板状阻拦绝缘网11，绝缘网11使用聚四氟乙烯、高密度聚丙烯、陶瓷或石英材料制作。绝缘网11的孔径0.5-2.5mm，孔中心间距1.0-6.0mm，板厚1.5-3.0mm，孔洞11-1垂直穿过板材并均匀分布。绝缘网11的作用是，固定石英小球/石英砂和协助水下密集气泡的产生。双频的超声电源8-1a主体电路及其匹配：图6所示为激励双频超声压电换能器的电源主体电路，图中的DDS1/2作为超声波发生器的初始信号源，使用ADI公司的AD9838、AD5930、AD5932、AD9831、AD9832、AD9837等器件，其输出高速电压比较器A1/A2形成方波，在通过D触发器U2A/U2B构成的二分频电路获得占空比为0.5的方波，与门U1A/U1B在MCU的GP0/GP1控制下，送出图7所示的功率密度调制扫频信号，并实现图8所示的变频功率密度调制信号，功率密度信号通过逻辑控制单元UH/UL分别转换为可以驱动全桥逆变电路的4路逻辑信号。端口HL与LR的方波信号同相，端口HR与LL的方波信号同相，HL与HR的方波信号反相；集成电路UD1-UD4为MOSFET/IGBT管(Q1-Q4)构成的全桥电路的驱动芯片，采用IR2186等芯片；全桥逆变器驱动由CP1/CP2和变压器PT1/PT2构成的谐振电路，在变压器的次级产生高压激励信号，变压器的次级连接功率超声换能器匹配电路及换能器系统。图7所示的匹配网络的等效阻抗表达式为：激励电源的角频率ω、有功功率电阻Ra、匹配电感电感量Lm和并联匹配电容Cm表达式为：图8所示的串联电感T型匹配网的等效阻抗表达式为：其中，激励电源的有功功率电阻Ra和匹配电感电感量Lm的表达式为：并联匹配电容Cm的值，由有功功率电阻Ra求解。水处理单元的工作原理使用超声空化产生水下密集气泡的微波处理单元的工作原理如图9所示，数据采集与控制单元与微波源6-1、超声电源8-1a和光谱检测器9连接。反应器出水口10-4安装有气液分离器15；所述阀门组件包括设置在干净水源出水管上的第一阀门5-1、设置在储水箱出水管上的第二阀门5-2、设置在进气管道上的第三阀门5-3、设置在储水箱进水管上的第四阀门5-4和设置在单次处理水出水管上的第五阀门5-5；泵组件包括气泵4-2和液压泵4-1；干净水源出水管的另一端、储水箱出水管的另一端均与反应器进水口10-2相连接，液压泵4-1安装在反应器进水口10-2处；储水箱进水管的另一端和单次处理水出水管的另一端均与气液分离器出水口相连接；进气管道一端与反应器进气口10-1相连接，另一端与反应器出气口10-3及气液分离器出气口相连接，气泵4-2安装在反应器进气口10-1处。启动微波源6-1后，微波通过波导管6-2和功率调配器6-3与反应器的谐振腔6-4相连接，调配器6-3的作用是实现微波源6-1与微波谐振腔6-4之间的功率和负载匹配，提高谐振腔6-4从微波源6-1获得的能量效率；双频的超声电源8-1a与反应器底部的压电换能器连接，阀门组件(VR1和VR2-VR4)在数据采集与控制单元的控制下，实现水处理通道的选择，未经过处理的水从阀门VR1进入，在压液泵4-1的输送下进入反应器，气体在气泵4-2的输送下从反应器的底部进入，需要重复处理的水，经过反应器处理后的水通过气液分离器后，从阀门V4送入储水箱3。需要单次处理的水，在经过气液分离器后不进入储水箱3，从阀门V5流出；水和气体的流量，分别通过液体流量计FL和气体流量计FG获取；光探测器用于检测放电区域的放光光谱，其特定波长的光谱相对强度数据由数据采集与控制单元获取，数据采集与控制单元可以根据采集到的放电光谱强度，进一步调节微波源6-1和超声电源8-1a的输出功率，使放电处于最佳的参数配置。本发明的有益效果如下：(1)使用石英或陶瓷反应器，使微波穿过而不被吸收；(2)含有密集气泡的气液两相流，可以有效降低微波放电的难度；(3)超声或机械搅拌，增强了气液两相之间的扩散与传质，催化剂减小了反应活化能，从而可以有效提升水处理的反应速率。实施例二：2.2机械搅拌水下密集气泡两相流的产生(1)反应器原理运用快速旋转的机械叶片搅动含气流体，在水中动态产生和筛选气泡尺寸和密度，为水下微波放电创造条件。在水下密集气泡中产生微波放电并处理流动的废水，充分利用放电产生的UV与负载TiO2膜的固体材料联合构建固液气三相联合的催化反应系统，在旋转叶片扰动作用下，为流体提供流速，同时增强流体扩散和催化反应，达到有效提升水下密集气泡微波放电降解废水效率的目的。图10是使用由调速电机8-2b带动搅拌叶片，在水下产生密集气泡，降低微波放电难度的反应器结构图。反应器由调速电机8-2b、曝气装置13、谐振腔6-4、波导管6-2、放电管12、负载催化剂石英小球、光学观测口、绝缘支架、底座1、进水口、进气口、出水口、出气口和顶盖等单元组成。其中，石英小球放置在两层绝缘网11之间；调速电机8-2b安装在反应器的底部，电机转轴透过反应器的不锈钢底板与搅拌叶片连接，搅拌叶片在调速电机8-2b的带动下搅动反应器内的气液混合相流体，产生密集气泡；光学观测窗，采用一段封闭的石英玻璃管，插入反应器内，石英玻璃管的底部紧贴放电区域，可将发光光谱仪的光纤探头深入光学观测窗检测放电光谱；反应器的底座1和绝缘筒16使用聚四氟乙烯板材制作；石英小球放置在放电管12内，放电管12外由微波谐振腔6-4环绕，放电管12使用聚四氟乙烯、高密度聚丙烯、陶瓷或石英等不吸收或微量吸收微波的材料制作，为了便于观察，放电管12使用石英玻璃制作；进水口和进气口位于反应器的下方，出气口和出水口位于反应器的上方，与电机转轴连接的搅拌叶片位于曝气装置13的下方，气相和液相在搅拌叶片的作用下形成含有密集气泡的气液两相流，在反应器内部自下而上流动，经放电和催化处理后从反应器的上端出气口和出水口排出。为了在反应器内部获得均匀而密集的气泡，将调速搅拌器8-3b安装在放电反应器底部，在搅拌叶片的上方安装具有曝气和阻拦石英小球功能的绝缘网11，搅拌器8-3b由3-4个搅拌叶片均匀焊接在与电机转轴连接的转盘上，形成螺旋桨结构。旋转叶片的后边沿带有突起，有助于搅拌叶片旋转时产生气液两相微湍流，在阻拦网板的联合作用下形成水下密集气泡群，促进气液两相之间的相互扩散和流体传质。螺旋桨结构的旋转叶片工作时，促进气液两相从反应器的底部向顶部流动，在放电区域获得处理。(2)水处理单元结构使用叶片搅拌产生水下密集气泡的微波处理单元的工作原理如图11所示，数据采集与控制单元与微波源6-1、调速电机8-2b和光谱检测器9连接。启动微波源6-1后，微波通过波导管6-2和功率调配器6-3与反应器的谐振腔6-4相连接，调配器6-3的作用是实现微波源6-1与微波谐振腔6-4之间的功率和负载匹配，提高谐振腔6-4从微波源6-1获得的能量效率；调速驱动器8-1b与反应器底部的调速电机8-2b连接，阀门组件(VR1和VR2-VR4)在数据采集与控制单元的控制下，实现水处理通道的选择，未经过处理的水从阀门VR1进入，在液压泵4-1的输送下进入反应器，气体在气泵4-2的输送下从反应器的底部进入，需要重复处理的水，经过反应器处理后的水通过气液分离器后，从阀门V4送入储水箱3。需要单次处理的水，在经过气液分离器后不进入储水箱3，从阀门V5流出；水和气体的流量，分别通过液体流量计FL和气体流量计FG获取；光探测器用于检测放电区域的放光光谱，其特定波长的光谱相对强度数据由数据采集与控制单元获取，数据采集与控制单元可以根据采集到的放电光谱强度，进一步调节微波源6-1的输出功率和电机转速，使放电处于最佳的参数配置。气液分离器采用不锈钢材料制作，从反应器出水口10-4流出的气液两相流从气液分离器的气液入口进入，在气液分离室分离成气相和液相，液体水从出水口流出。气体从顶部的出气口流出，并与反应器顶部出气口流出的气体汇聚后，通过阀门V3和气泵4-2组成的通道进入反应器循环使用。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。