申请日2003.04.28
公开(公告)日2004.12.29
IPC分类号C02F1/48
摘要
本发明提供了一种用电脉冲微型等离子体处理污水的方法和设备。该方法设备可根据净化指标的要求控制污水的处理过程，该方法是将污水放置在一个装有金属载荷的反应器内，通过依次施加电脉冲来实现的，设备由反应器和电流脉冲发生器组成，使用该方法及设备可以去除水中所含的物理化学和微生物等污染物，其中包括各种重金属、石化生产排放物、润滑冷却剂、有机物、毒素、微生物，细菌、放射性元素以及其它污染物。该技术可用于工业、农业、及社会公共事业等领域中的供水和污水处理。
権利要求書
1、一种电脉冲微型等离子体水处理方法，其特征在于采用下述步骤：先 在水中放入颗粒状金属载荷，然后对其施加电脉冲，在金属颗粒间放电形成微 型等离子体，金属颗粒被放电刻蚀和氧化，生成具有很强絮凝作用和极化吸引 作用的金属氢氧化物和金属氧化物，水中中性化和极化了的杂质微粒被金属氢 氧化物和金属氧化物所絮凝和吸附，最后形成沉渣从水中去除。
2、根据权利要求1所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法，其特征 是：电脉冲是由依次施加的电压脉冲和电流脉冲组成，电压脉冲的电压值为 800-1000V，电压脉冲的电流值为150-300A，电流脉冲的电压值为100-300V， 电流脉冲的电流值为500-1500A。
3、根据权利要求1或2所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法，其 特征是：电流脉冲与电压脉冲的能量比为0.1-10。
4、一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等离子体水处理方法的设 备，其特征是：它由反应器(10)和电流脉冲发生器(21)组成，反应器(10) 内的支撑板(2)的上部设有放电反应室(7)，下部为进水室(11)，放电反应 室(7)内设有的两个电极板(8)之间由电板隔板(4)分隔，金属颗粒(6) 放置在放电反应室(7)内，反应器(10)上的两根电源线(3、9)与电流脉 冲发生器(21)的输出端(15、16)相连接，电流脉冲发生器(21)由工作箱 以及安装在工作箱内的电流脉冲发生器电路组成，电流脉冲发生器电路由整流 滤波电路(26)和脉冲形成电路(28)组成，脉冲形成电路(28)中可控硅(11、 12、13、14)采用并联方式连接。
5、根据权利要求4所述的一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等 离子体水处理方法的设备，其特征是，反应器(10)中，电极隔板(4)的高 度与两个电极板(8)的顶端高度相等。
6、根据权利要求5所述的一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等 离子体水处理方法的设备，其特征是，两个电极板(8)之间的角度为110-160°。
7、根据权利要求4、5、6所述的一种实施权利要求1所述的一种电脉冲 微型等离子体水处理方法的设备，其特征是，在反应器(10)中，电极隔板(4)、 金属颗粒(6)和电极板(8)所占容积为放电反应室(7)的1/5。
8、根据权利要求7所述的一种实施权利要求1所述的一种电脉冲微型等 离子体水处理方法的设备，其特征是，电流脉冲发生器(21)中的电流脉冲发 生器电路中，采用了逆向二级管(18、19)。
说明书
一种电脉冲微型等离子体水处理方法和设备
所属技术领域
本发明属于等离子物理与等离子化学相结合的应用技术领域，特 别是一种电脉冲微型等离子体水处理方法和设备。
背景技术
现有的污水处理以及对水进行灭菌消毒的方法和技术很多，有 利用膜过滤、紫外线照射的物理方法;利用氧化还原剂、杀菌剂的化 学方法及微生物的生物化学法等。这些方法都是单独地利用某一功能 对水中特定成分进行作用的，不能对水进行综合地处理。如生物化学 法中采用的微生物能够对水中有机成分起到分解作用，而对水中的重 金属却无能为力。同时利用这些方法还存在处理成本高如膜过滤法、 形成二次污染如化学法、处理效率低如紫外线照射法、臭氧法等问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用电脉冲微型等离子体处理污水的方 法和设备。该方法和设备可根据净化指标的要求控制污水的处理过 程，高效率地去除水中所含物理、化学和微生物等污染物，其中包括 各种重金属、石油产品、无机物、有机物、细菌以及其它多种污染物， 无污染，处理成本低廉。
本发明的解决技术方案是：先在水中放入颗粒状金属载荷，然后 对其施加电脉冲，在金属颗粒间放电形成微型等离子体，金属颗粒被 放电刻蚀和氧化，生成具有很强絮凝作用和极化吸引作用的金属氢氧 化物和金属氧化物，水中中性化和极化了的杂质微粒被金属氢氧化物 和金属氧化物所絮凝和吸附，最后形成沉渣从水中去除。电脉冲是由 依次施加的电压脉冲和电流脉冲组成，电压脉冲的电压值为 800-1000V，电压脉冲的电流值为150-300A，电流脉冲的电压值为 100-300V，电脑脉冲的电流值为500-1500A。电流脉冲与电压脉冲的 能量比为0.1-10。设备由反应器10和电流脉冲发生器21组成。反应 器10内的支撑板2的上部设有放电反应室7，下部为进水室11。放 电反应室7内设有的两个电极板8之间由电极隔板4分隔。金属颗粒 6放置在放电反应室7内，反应器10上的两根电源线3、9与电流脉 冲发生器21的输出端15、16相连接，电流脉冲发生器21由工作箱 以及安装在工作箱内的电流脉冲发生器电路组成。电流脉冲发生器电 路由整流滤波电路26和脉冲形成电路28组成，脉冲形成电路28中 可控硅11、12、13、14采用并联方式连接。两个电极板8之间的角 度为110-160°，在反应器10中，电极隔板4、金属颗粒6和电极板 8所占容积为放电反应室7的1/5，电流脉冲发生器21中的电流脉冲 发生器电路中，采用了逆向二级管18、19。
在本发明中，上述的各项特征是靠如下措施具体解决实现的：污 水是在一个装有颗粒状金属载荷的放电反应室内通过电脉冲微型等 离子体进行加工处理的。要依次施加一个电压脉冲和一个电流脉冲。 电流脉冲和电压脉冲的能量比可在0.1-10的范围内变化。电压脉冲的 电压值为800-1000V、电压脉冲的电流值为150-300A;电流脉冲的电 压值为100-300V、电流脉冲的电流值为500-1500A。这时由于电脉冲 微型等离子体所产生的局域高温、压强、电磁场、紫外线辐射、激波 等，在水中形成了大量的化学活性很高的离子，其中包括原子态的氢 和氧，以及其激发态的分子和自由基，为使水中杂质的高度解离、氧 化、还原和中性化创造了条件。杂质分子的微结构被破坏，弥散在水 中;同时对金属颗粒的电脉冲刻蚀和氧化，形成了它们的氧化物和氢 氧化物，后者在絮凝过程中吸附了中性化杂质，最后形成沉淀沉渣从 水中滤除。可见，这种方法不仅可保障得到有效的絮凝作用，同时还 可形成有很强吸附特性的晶体结构化合物，从而可使水得到充分地净 化。
经过上述的物理和化学处理所形成的沉渣具有特殊的物理性质 和化学性质，其固相密度可达5-6kg/m3，它的体积要比通常的小2-3 倍。沉渣的85-90%是金属氧化物，其中被固化的污染物质只占3-5%， 因此这种沉渣可作为生产化学催化剂、染料和制造陶瓷、砖和水泥添 加剂等的珍贵原料。
在本发明方法中，由于局域高温、高压强、电磁场、紫外线辐射、 激波以及放电生成的臭氧等都具有很强的杀菌功能，因此能够在去除 污水杂质过程的同时实行高效地杀菌。
在本发明方法中所使用的复合式脉冲，既有高电压小电流区域， 又有低电压大电流区域，可根据处理水的需要进行选择。对含有不同 污染物的污水进行电脉冲微型等离子体处理的实验研究结果表明，能 够对不同污水进行有效处理的电流脉冲和电压脉冲的能量比在 0.1-10之间。通过改变电流脉冲和电压脉冲的能量比就可以改变形成 的金属氢氧化物和金属氧化物的相成分，进而能够控制水处理效果。
在高电压低电流区域，当采用金属颗粒6做负载时，主要形成的 是二价的铁离子及其氧化物：FeO、Fe2O3、Fe3O4和FeOOH。它们具 有很强的氧化和吸收表面，有利于从水中萃取重金属、有毒元素、放 射性元素和硬盐等杂物。在低电压高电流区域，主要形成金属氢氧化 物：Fe(OH)2和Fe(OH)3。它们具有高度发达的絮凝结构，能充分清 除水中的石油、油脂、表面活性物质和微生物。当电流脉冲和电压脉 冲的能量比低于0.1时，水处理效果下降;而高于10时能耗急剧增 大，这是由于水被加热造成的。
污水的处理是借助于相继施加一个高压脉冲和一个电流脉冲进 行的。在脉冲放电开始的初始阶段，所加高压脉冲的电压为 800-1000V，以保证污水中金属颗粒之间的稳定击穿。一般在被处理 的污水中含有盐、酸、碱等电解质，污水的电导率很高。当电压低于 800V时，由于在这种高电导的水溶液中放电通道会分裂和衰减，所 以实现脉冲放电很困难;当电压高于1000V时，将使处理过程和设 备进入高电压工作的状态，由此提高了水处理的成本。电压脉冲的电 流为150-300A。当电流低于150A时，污水处理效果不好，其原因是 对金属颗粒刻蚀性降低;当电流高于300A时，脉冲的部分能量开始 损耗在金属的汽化上，同样降低了污水处理效果。在脉冲放电开始的 后续阶段，水的处理是借助于施加强电流脉冲进行的，放电电压维持 在100-300V。当电压低于100V时，会降低污染物解离的强度和氧化 物还原反应的速度;当电压高于300V时，欧姆热损失增大，导致能 量的有效利用系数降低。强电流脉冲的电流为500-1500A。当电流低 于500A时，在放电初始阶段刻蚀下来的金属来不能有效地同水中其 它离子发生反应;当电流高于150A时，将导致被处理水的过热，产 生不必要的能量损失。
在放电反应室7里电极板8和被隔开的空间应该这样安排布置： 在对应的两个电级板8上任意一对等高点之间的放电间隙的距离相 等，以此来保证电磁场的均匀性，即在整个电极板8表面上电流密度 相等。电极板8是由电介质的电极隔板4分开的，通过电极隔板4间 通道注入要处理的水。每个电极隔板4的高度应该与电极板8的顶端 等高。电极隔板4的间距应该根据金属颗粒6的尺度和工作电压来决 定对于粒度为5-10mm的颗粒和工作电压600-800V，电极隔板4的 间隔在80-100mm之间。
电极板8可通过金属颗粒6层的保护防止电蚀，从而延长了它们 的使用寿命而不用更换。工作材料铁屑、铁矿砂、车边废料等根据它 们的消耗情况可连续地被投入放电反应室7。要处理的水通过水泵经 过入水口1进水室11和入水通道5泵入放电反应室7，被刻蚀下来 的金属微粒被水氧化形成金属氢氧化物或金属氧化物。在放电反应室 里发生还原反应。通过这些反应，污染物被中和，被中和后的污染物 又部分地被金属氢氧化物或金属氧化物絮凝和吸收。放电反应室7是 在连续的自动化的状态下工作的，根据处理水的流量和污染物的浓度 自动地调节放电功率，以保证出口处的水符合净化指标。
反应器10是采用模块式设计的。它可以由一个、两个或多个模 块组装而成。做反应器10的材料是聚丙乙烯或其它介电材料。每个 模块上都装有投料系统和水流量控制系统。
本发明专利中所设计采用的脉冲电流发生器电路，其最大参数 为：脉冲电压100KV，脉冲电流1500A，脉宽100μS，脉冲能量20J， 脉冲频率2000Hz。这些参数都是我们通过大量实验确定下来的。
电流脉冲发生器电路由整流滤波电路26和脉冲形成电路28组 成，脉冲形成电路28中可控硅11、12、13、14采用并联方式连接。
电流脉冲发生器电路工作过程如下：
1、整流滤波电路26工作过程
三相电经桥式二级管27、充电遏流圈22和滤波电容23、整流输 出直流电压流至脉冲形成电路28。
2、脉冲形成电路工作过程
可控硅是由时序触发信号VDR1、VDR2、VDR3、VDR4控制的。首 先由时序触发信号VDR1使可控硅12导通，使充电电容20充电，再 由时序触发信号VDR2使可控硅13导通，充电电容20放电，完成一 充放电过程。
由时序触发信号VDR3导通可控硅11，使充电电容17充电，再由 时序触发信号VDR4导通可控硅14，充电电容17放电，完成二充放电 过程。
上述两过程是交替进行的，放电后在放电反应室7产生的剩余能 量通过二极管18、19对充电电容17、20充电，以利用该剩余能量和 缩短下一过程的充电时间。
可控硅11、12、13、14参数根据电路输出功率而定，其中一个 参数之一要求dI/dt=500A/μS以上。二级管18、19选择高速脉冲二 级管，充电电容17、20选择无感电容。
电流脉冲发生器21的特点是可以形成电流脉冲，可以满足处理 各类污水的需要。对某一特定的污水的处理时，必须优化电流脉冲发 生器21的调协参数，形成所需要的电流脉冲。电流脉冲发生器21的 调协参数包括：脉冲能量、电压、脉冲电流和它的上升速度dI/dt。依 赖于调协参数来形成金属氢氧化物或金属氧化物的物理化学特性，提 高对特定污染物的吸收性能，以得到最佳的处理效果。
为了清除污水中的重金属、放射性物质和有毒金属，必须生成具 有铁氧体特性结构的金属氧化物。为此，形成的电流脉冲必须具有高 的肪冲能量和大的脉冲电流，但电压低、电流上升速度慢和脉冲宽。 例如：W=20J，Iu=1000A，Uu=500V，dI/dt=107-108A/S，τ=50-70μ S。
为了清除污水中的有机物质、油、盐以及其它阴离子，必须生成 具有絮凝结构的金属氢氧化物。为此，必须形成这样的电流脉冲：脉 冲能量低、脉冲电流小、电压高、电流上升速度快和脉冲窄。例如： W=5J，Iu=500A，Uu=800V，dI/dt=108-109A/S，τ=30-40μS。
发生器的输出功率可通过电流脉冲的频率进行调整，它决定水的 净化效率。
电流脉冲发生器的电路的特点是采用并联可控硅11、12、13、 14以保证通过并联电路电流强制切断已被打开的可控硅。以此保证 可控硅开关工作更加可靠，保证在可控硅断开时无论反应器的电阻有 多大电路都会被可靠地切断。另一个特点是在并联的可控硅线路中工 作电容的充电和放电交替进行形成所需电流脉冲，避免了在单一线路 中串联可控硅同时开断的缺点。
采用了反逆向的二极管18、19，可利用反应器10中没有完全释 放的能量对充电电容17、20辅助充电，使脉冲能量的有效利用系数 提高了15-20%。
这些措施保证了水处理设备工作的稳定性和可靠性，保证了在不 更换电极元件的情况下，反应器10能在自动化状态下维持长时间的 工作。
电流脉冲发生器21安装在一个独立的工作箱里，用两根导线通 过电流脉冲发生器21输出端15、16与反应器10输入端3、9相连。
本发明的有益效果是：在进行污水处理时，无需任何化学添加剂、 原材料廉价、处理过程简单、无废弃物、容易实现控制和自动化;它 缩短了水处理时间，极大地减少了能耗。能得到不富含盐的负离子酸 根的洁净水。同时，沉渣还具有各种有益的物理化学性质，可用来作 为生产化学催化剂、染料和制造陶瓷、砖和水泥添加剂等的珍贵原料。
