申请日2004.09.08
公开(公告)日2007.05.16
IPC分类号C02F1/30; H05H1/00
摘要
介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有机废水方法及设备属于环境污染治理技术领域。本发明利用介质阻挡放电产生的流光作为光源，来诱导半导体催化剂的活性，产生活性物种，氧化还原水体中存在的难生化降解的有机物，生成无机物，或是生成易生化降解的有机物，实现降解水中难生化有机物的目的。本发明的有益效果和益处是，采用介质阻挡放电产生的流光作为光源，直接和催化剂作用，光源效率高，并发挥电场和放电产生等离子体等协同的优势作用，对废水处理效率高，尤其适用于对含有难生化的持久性有机物的废水和印染废水处理。并且，利用本方法也可以处理气体中的有机废气。
权利要求书
1.一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有机废水方法，其特征 在于，交变高压电源(5)输出高压，施加在放电等离子体反应器(4)中的放电电极(1) 和低压电极(2)之间，电场强度为±10-100kV/cm范围时，形成放电等离子体，产生流光放 电;放电产生的流光作为光源，诱导半导体催化剂活性，产生氧化性基团，氧化有机物，半 导体催化剂为金属氧化物，半导体催化剂是以粉体、载体膜、绝缘介质和电极的表面膜的形 式存在，半导体催化剂中掺有金属离子，发挥放电产生流光中的可见光部分的作用。
2.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有 机废水方法，其特征在于，半导体催化剂为二氧化钛。
3.根据权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处 理有机废水方法，其特征在于，半导体催化剂附着在绝缘介质(3)表面上。
4.根据权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处 理有机废水方法，其特征在于，半导体催化剂附着在低压电极(2)表面上。
5.根据权利要求1或2所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处 理有机废水方法，其特征在于，半导体催化剂附着在载体表面上。
6.实现权利要求1所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有 机废水方法的设备，其特征在于，由放电等离子体反应器(4)、交变高压电源(5)和水循 环系统构成;反应器(4)由放电电极(1)、低压电极(2)构成，绝缘介质(3)覆盖在电 极上，电极间形成等离子体区域的距离为1-100mm，催化剂是以粉体、载体膜、介质膜和电 极表面膜的形式存在于反应器内部;水循环系统由水槽(7)、水泵(10)和管道(12)构 成;交变高压电源(5)用电源引线(9)与放电电极(1)、低压电极(2)连接，气泵(6 )与反应器(4)内的曝气头(8)连接;反应器内部电极结构采用并联和串联的形式。
7.根据权利要求6所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有 机废水的设备，其特征在于，放电电极(1)、低压电极(2)为同轴圆筒式，嵌入绝缘介质 (3)中的放电电极(1)置于圆筒状低压电极(2)内部。
8.根据权利要求6或7所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处 理有机废水的设备，其特征在于，低压电极(2)嵌入在绝缘介质(3)里。
9.根据权利要求6所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有 机废水的设备，其特征在于，放电电极(1)、低压电极(2)为扳板式，放电电极(1)和 低压电极(2)为平行的金属板，绝缘介质(3)覆盖在放电电极(1)上，存在于放电电极 (1)和低压电极(2)之间。
10.根据权利要求6或9所述的一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处 理有机废水的设备，其特征在于，绝缘介质(3)覆盖在低压电极(2)，存在于放电电极( 1)和低压电极(2)之间。
说明书
介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有机废水方法及设备
技术领域
本发明属于环境污染治理技术领域。特别涉及一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处理 有机废水方法和设备。
背景技术
随着工业的飞速发展，世界人口的增加，对淡水的需求量正在迅猛的增加，由此带来工 业污水和生活污水量的增加。这些污水中含有大量的有毒有机物和重金属，如不加处理直接 排放，将给环境带来严重污染，影响到人类的生存和工农业的可持续开展。目前，常用的废 水处理是生化法，并有一些物理化学方法相补充，如电解法、气浮法、吸收法等。但是，这 些方法对处理难生化降解有机物废水的效果还不能达到处理要求。因此必须研究开发新的水 污染控制技术，如半导体光催化技术和脉冲放电等离子体技术等。
半导体光催化降解水中难生化有机物是目前国内外热门的研究课题，进行了比较广泛和 深入的研究，并取得了一些研究结果。其原理是当能量大于禁带宽度的光照射半导体时，其 价带上的电子(e-)被激发，跃迁禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴(h+)。若 半导体此时处于溶液中，则在电场的作用下电子与空穴分离并迁移到粒子表面的不同位置。 光生空穴有很强的得电子能力，可夺取半导体颗粒表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不 吸收入射光的物质被活化氧化，而电子受体则可以通过接受表面上的电子而被还原。水溶液 中的光催化氧化反应，在半导体表面失去电子的主要是水分子，水分子经变化后生成氧化能 力极强的羟基自由基OH，由其与有机物反应。由于电子和空穴在到达催化剂界面之前，要 发生复合，降低了电子和空穴与希望反应物的化学反应，即降低了光催化剂效果。所以，为 了抑制电子和空穴的复合，需要向溶液中加入俘获剂，或增加一个外加电场，来保证半导体 光催化效果。
目前，介质阻挡放电等离子体技术在水处理方面得到了广泛研究。其原理是利用放电等 离子体产生的高能电子，撞击水分子和水体中溶解的气体分子，发生电离和激发，产生氧化 性强的活性基团和臭氧，来氧化水体中溶解的有机物。介质阻挡放电等离子体在产生高能电 子过程中，伴随着流光的产生，而流光在废水处理中具体作用，以及引起其他效应在废水处 理中作用的研究也没有见到相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种将半导体光催化和介质阻挡放电等离子体技术结合起来，降解 水中难生化处理有机物的介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有机废水方法及设备。
本发明的原理是利用介质阻挡放电产生的流光作为光源，来诱导半导体催化剂的活性， 产生活性物种，氧化还原水体中存在的难生化降解的有机物，生成无机物，或是生成易生化 降解的有机物，实现降解水中难生化有机物的目的。
介质阻挡放电的流光直接作用在半导体催化剂上，不需要其他外界光源，光源的效率高 ;放电流光的频谱主要分布在紫外区，是半导体催化剂的灵敏区域;放电的电场可以阻止电 子-空穴复合，节省向光催化反应器施加的俘获剂;放电电场可以加速价带上和导带上的电 子，增加电子-空穴对的产生;介质阻挡放电等离子体在水体中可以产生如OH、O3等强氧化 性的活性基和物种，产生协同作用，提高降解有机物的效果。
本发明的技术解决方案是，一种介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有机废水方法，交 变高压电源5输出高压，施加在放电电极1和低压电极2之间，放电电极1被绝缘介质3覆盖， 调整绝缘介质3的厚度和介电常数、绝缘介质3和低压电极2之间距离、电源5输出电压峰值和 频率，使绝缘介质3和低压电极2之间的电场强度达到±10-100kV/cm范围时，在绝缘介质3和 低压电极2之间形成放电等离子体，产生流光放电;利用放电产生的流光作为光源，诱导半 导体催化剂活性，产生氧化性基团，氧化有机物，半导体催化剂为金属氧化物，如二氧化钛
半导体催化剂附着在绝缘介质和低压电极的表面上。
半导体催化剂附着在载体上。
半导体催化剂是粉体。
半导体催化剂中掺有金属离子。
实现介质阻挡放电诱导半导体光催化处理有机废水的方法的设备，由放电等离子体反应 器4、交变高压电源5和水循环系统构成，反应器4由放电电极1、低压电极2构成，放电电极 被绝缘介质3覆盖，水循环系统由水槽7、水泵10和管道12构成，交变高压电源5用电源引线 9与放电电极1、低压电极2连接，气泵6与反应器4内的曝气头8连接。
放电电极1、低压电极2为同轴圆筒式，放电电极1是曲率半径稍小的金属棒等导电材料 或系统，被埋藏于绝缘介质3中，低压电极2是在放电电极外侧的曲率半径大的金属圆筒，可 以直接接地，或将放电电极1和低压电极2分别嵌入在绝缘介质3里，放电电极外侧的绝缘介 质3和低压电极2内侧，或放电电极外侧的绝缘介质3和低压电极2内侧的绝缘介质3之间(形 成等离子体区域)距离为1-100mm，根据处理水量的多少反应器内部电极结构采用并联和串 联的形式。
放电电极1、低压电极2为板板式，放电电极1和低压电极2均为平行的金属板，绝缘介 质3覆盖在高压放电电极1上，或是分别覆盖在放电电极1和低压电极2的相对内侧，放电电极 的绝缘介质3和相对的低压电极2内侧，或放电电极的绝缘介质3和低压电极2的绝缘介质3内 侧之间(形成等离子体区域)距离为1-100mm，根据处理水量的多少反应器内部电极结构采 用并联和串联的形式。
在电极制作过程中，将半导体催化剂附着在放电电极1的绝缘介质3和低压电极2表面上 ，或附着在放电电极1的绝缘介质3和低压电极2的绝缘介质3表面上，制作成具有光催化功能 的电极表面膜形态，更好的发挥光催化作用和提高光的利用效率。
半导体催化剂：半导体催化剂可以制备成粉体、附着在载体上和电极及介质的表面上， 要求是对200-400nm光响应的催化剂，或惨杂一些金属离子，使放电产生的其它区域的光( 例如，部分可见光)也能够发挥作用，使催化剂具有高效和广普性。
曝气系统：在反应器底部安装曝气头，使气液均匀的分布于反应器中，实现气、液、固 三相存在的优化放电等离子体状态。气泵提供恒压稳定的气体。
催化剂附着在颗粒性载体上，构成床式结构反应器，或附着电极表面的反应器，用来脱 除气体中的有机废气，净化室内空气和化工厂排出的废气。
交变的高压电源5：是正、负极性交替变化的高压电源
水循环系统：包括水泵10和管路12等，将反应器4、废水单元和排水单元连接在一起。 被处理的有机废水11或有机废气从反应器4上端或反应器4下端进入反应器4内部，从反应器 4下端或反应器4上端流出反应器4。有机废水11连续地通过反应器4，也可以间歇的通过反应 器4。采用连续式时，废水是通过水泵10进行循环处理，或保持一定的停留时间，达到处理 要求，再外排。而采用间歇式情况，废水11通过水泵10注入反应器4进行处理，达到处理要 求后外排。
另外，为了使反应器4保持恒温，可以在反应器4外侧增加一套冷却装置。并且，配备一 些附属设施，如阀门、储水箱等。
通过放电产生的流光诱导半导体催化剂活性，产生活性基团，氧化还原废水中难生化处 理的有机物，并且，发挥电场阻止电子与空穴复合，和等离子体降解有机物的协同效果，使 这些有机物转化成水、二氧化碳、无机盐等无害物质。或生成可生化处理的有机物，再经过 生化等方法进行处理，最终矿化为水、二氧化碳、无机盐等。可以和其它方法结合，作为中 间或深度处理的工艺过程。还能够直接对有机废气进行处理。
本发明的有益效果和益处是，采用介质阻挡放电产生的流光作为光源，直接和催化剂作 用，光源效率高，并发挥电场和等离子体等协同作用的优势，对废水处理效率高，尤其是对 含有难生化的持久性有机物的废水和印染废水处理效果好，并且，利用本方法也可以处理气 体中的有机废气。
