申请日2018.01.19
公开(公告)日2018.06.29
IPC分类号C02F1/30; C02F1/32; C02F1/36; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，包括气液两相反应单元、超声辐射单元、气体流量调整单元、液体流量调整单元、气液分离单元、光学检测单元、水质分析单元、驱动单元，所述气液两相反应单元内部设置有光催化单元。本发明利用大气压等离子体射流(APPJ)在气相中产生等离子体的活性物质注入水处理反应器用于降解液相有机废水中的污染物分子，并与超声辐射单元的超声作用和光催化单元的光催化作用产生协同效应，增强气相放电产生的活性物质处理有机废水，有效地提高了废水处理的效率。
权利要求书
1.大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，包括气液两相反应单元(1)、超声辐射单元(2)、气体流量调整单元(4)、液体流量调整单元(5)、气液分离单元(6)、光学检测单元(7)、水质分析单元(8)、驱动单元(9)，所述气液两相反应单元(1)内部设置有光催化单元(3);
所述驱动单元(9)的输出端分别与所述气液两相反应单元(1)的输入端、所述超声辐射单元(2)的输入端相连接;
所述液体流量调整单元(5)与所述气液两相反应单元(1)采用双向连接，所述液体流量调整单元(5)的输出端与所述水质分析单元(8)的输入端相连接;
所述光学检测单元(7)的输入端与所述气液两相反应单元(1)的输出端相连接;
所述气液分离单元(6)与所述气液两相反应单元(1)采用双向连接;
所述气体流量调整单元(4)的输入端与所述气液分离单元(6)的输出端相连接，所述气体流量调整单元(4)的输出端与所述气液两相反应单元(1)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述气液两相反应单元(1)包括底座(11)、安装在所述底座(11)上方的气液两相反应壳体(12)、安装在所述气液两相反应壳体(12)内部的三口反应器(13)、安装在所述气液两相反应壳体(12)上方的APPJ反应器(14)，所述气液两相反应壳体(12)上设置有出水口(16)、气液分离口(18)、液体回流口(19)，所述三口反应器(13)包括设置于左端的进水口(131)、设置于右端的出口(132)、设置于顶端的APPJ反应器接入口(133)，所述APPJ反应器(14)安装在所述三口反应器(13)的所述APPJ反应器接入口(133)上，所述APPJ反应器(14)的顶端设置有进气口(17)。
3.根据权利要求2所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述三口反应器(13)上的所述进水口(131)与所述液体流量调整单元(5)的输出端相连通，所述气液两相反应壳体(12)上的所述出水口(16)与所述液体流量调整单元(5)的输入端相连通，所述气液两相反应壳体(12)上的所述气液分离口(18)与所述气液分离单元(6)的输入端相连通，所述气液两相反应壳体(12)上的所述液体回流口(19)与所述气液分离单元(6)的输出端相连通，所述气液分离单元(6)的输出端与所述气体流量调整单元(4)的输入端相连通，所述气体流量调整单元(4)的输出端与所述APPJ反应器(14)上的所述进气口(17)相连通。
4.根据权利要求2所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述APPJ反应器(14)包括高压电极(141)、低压电极(142)、绝缘支架(143)、绝缘管(144)，所述绝缘支架(143)嵌套安装在所述绝缘管(144)的内部的一端，所述低压电极(142)安装在所述绝缘管(144)的另一端，所述高压电极(141)安装在所述绝缘支架(143)上，所述绝缘管(144)上还安装设置有光谱探测窗(145)。
5.根据权利要求4所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述绝缘支架(143)的中心设置有贯通的高压电极插入孔(147)，所述高压电极(141)配合插入所述高压电极插入孔(147)中，所述绝缘支架(143)的边缘还设置有若干等间距分布的通气孔(146)。
6.根据权利要求4所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述光学检测单元(7)的光纤探头通过所述光谱探测窗(145)与所述APPJ反应器(14)相连通。
7.根据权利要求2所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述驱动单元(9)包括可编程AC/DC电源(91)、高压脉冲源(92)、功率放大器(93)、阻抗匹配网A(94)、阻抗匹配网B(95)，所述可编程AC/DC电源(91)的第一输出通道和第二输出通道分别与所述高压脉冲源(92)的输入端、所述功率放大器(93)的输入端电气连接，所述高压脉冲源(92)的输出端与所述阻抗匹配网A(94)的输入端电气连接，所述阻抗匹配网A(94)的输出端与所述APPJ反应器(14)的输入端电气连接;所述功率放大器(93)的输出端与所述阻抗匹配网B(95)的输入端电气连接，所述阻抗匹配网B(95)的输出端与所述超声辐射单元(2)的输入端电气连接。
8.根据权利要求2所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述液体流量调整单元(5)包括液压泵(M1)、液体流量计(FL)、储水箱A(51)、储水箱B(52)、第一液体阀门(VL1)、第二液体阀门(VL2)、第三液体阀门(VL3)、第四液体阀门(VL4)，所述液压泵(M1)的输入端分别与所述第一液体阀门(VL1)的输出端、所述第二液体阀门(VL2)的输出端相连通，所述液压泵(M1)的输出端依次连通所述液体流量计(FL)、所述三口反应器(13)上的所述进水口(131)，所述储水箱A(51)的输入端连通所述第三液体阀门(VL3)的输出端，所述储水箱A(51)的输出端连通所述第二液体阀门(VL2)的输入端;所述出水口(16)连通所述储水箱B(52)的输入端，所述储水箱B(52)的输出端分别连通所述第三液体阀门(VL3)的输入端、所述第四液体阀门(VL4)的输入端、所述水质分析单元(8)，所述第四液体阀门(VL4)用来将处理结束的液体排出。
9.根据权利要求2所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述气体流量调整单元(4)包括气泵(M2)、气体流量计(FG)、风门(VG)，所述风门(VG)的输出端依次连通所述气体流量计(FG)、所述气泵(M2)、所述进气口(17)，所述气液分离单元(6)的输出端分别连通所述气体流量计(FG)的输入端、所述风门(VG)的输出端，所述风门(VG)的输入端外接外部气源(10)。
10.根据权利要求2所述的大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，所述光催化单元(3)设置于所述气液两相反应壳体(12)的下部区域，所述光催化单元(3)包括多个负载光催化剂的石英小球(31)、用于包裹所述石英小球(31)上的光催化剂的冲孔网膜(32)。
说明书
大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置
技术领域
本发明涉及一种大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，属于水处理技术领域。
背景技术
我国乃至全世界水资源的污染问题日益严峻，针对废水采取一定的水处理手段十分重要。传统的用于水处理的方法主要包括过滤、吸附等物理方法，厌氧生化处理、好氧生物处理等生物化学法，但在处理效率、处理能效、可处理有机污染物分子大小与毒性等方面，这些传统方法已无法满足要求。
近年来，高级氧化技术成为了处理有机废水的热点，其中大气压等离子体相对于低气压等离子体具有操作简单、消耗低、无需真空装置、易于实现流水线生产等优势，因此将大气压等离子体应用到有机废水的处理备受瞩目。然而，目前的大气压等离子体处理废水的效率普遍偏低，提高处理效率的主要措施如下：一是利用其它高级氧化技术如超声波技术等协同等离子体水处理，如专利ZL201410337343.7“等离子体协同超声空化效应废水处理反应器”，但该专利没能充分利用等离子体产生的紫外线而导致能量的浪费;二是采用喷淋、曝气、机械扰动等物理方法增加等离子体与废水接触的面积，如专利201610541119.9“一种垃圾渗滤液等离子体处理装置”，但是该专利的废水处理量较小，且未能充分利用等离子体产生的紫外线;三是利用阵列式的放电结构来产生更多的活性物质作用于废水，如专利201610183437.2“一种阵列式高密度水中介质阻挡放电废水处理装置”，但该专利会由于在同一容器中循环处理而导致处理效率有所下降。因此，目前仍存在以下两大问题：(1)等离子体产生的紫外线不能充分利用;(2)等离子体与废水接触的面积与处理流量之间的关系难以协调，接触的面积大往往处理流量不足。
发明内容
本发明的目的便是解决以上两大问题，提供一种能够快捷高效的处理有机废水的试验研究装置。该装置利用大气压等离子体射流(APPJ)在气相中产生等离子体的活性物质注入水处理装置用于降解液相中废水的有机污染物分子，利用超声辐射单元的超声作用来增大气液两相放电等离子体与废水接触的面积，同时增加处理的流量。利用光催化单元的光催化作用充分利用放电等离子体产生的紫外线，从而有效地提高了有机废水处理的效率。
本发明采用如下技术方案：大气压等离子体射流协同超声与催化的水处理装置，其特征在于，包括气液两相反应单元、超声辐射单元、气体流量调整单元、液体流量调整单元、气液分离单元、光学检测单元、水质分析单元、驱动单元，所述气液两相反应单元内部设置有光催化单元;
驱动单元的输出端分别与气液两相反应单元的输入端、超声辐射单元的输入端相连接;
液体流量调整单元与气液两相反应单元采用双向连接，液体流量调整单元的输出端与水质分析单元的输入端相连接;
光学检测单元的输入端与气液两相反应单元的输出端相连接;
气液分离单元与气液两相反应单元采用双向连接;
气体流量调整单元的输入端与气液分离单元的输出端相连接，气体流量调整单元的输出端与气液两相反应单元的输入端相连接。
作为一种较佳的实施例，气液两相反应单元包括底座、安装在底座上方的气液两相反应壳体、安装在气液两相反应壳体内部的三口反应器、安装在气液两相反应壳体上方的APPJ反应器，气液两相反应壳体上设置有出水口、气液分离口、液体回流口，三口反应器包括设置于左端的进水口、设置于右端的出口、设置于顶端的APPJ反应器接入口，APPJ反应器安装在三口反应器的APPJ反应器接入口上，APPJ反应器的顶端设置有进气口。
作为一种较佳的实施例，三口反应器上的进水口与液体流量调整单元的输出端相连通，气液两相反应壳体上的出水口与液体流量调整单元的输入端相连通，气液两相反应壳体上的气液分离口与气液分离单元的输入端相连通，气液两相反应壳体上的液体回流口与气液分离单元的输出端相连通，气液分离单元的输出端与气体流量调整单元的输入端相连通，气体流量调整单元的输出端与APPJ反应器上的进气口相连通。
作为一种较佳的实施例，APPJ反应器包括高压电极、低压电极、绝缘支架、绝缘管，绝缘支架嵌套安装在绝缘管的内部的一端，低压电极安装在绝缘管的另一端，高压电极安装在绝缘支架上，绝缘管上还安装设置有光谱探测窗。
作为一种较佳的实施例，绝缘支架的中心设置有贯通的高压电极插入孔，高压电极配合插入高压电极插入孔中，绝缘支架的边缘还设置有若干等间距分布的通气孔。
作为一种较佳的实施例，光学检测单元的光纤探头通过光谱探测窗与APPJ反应器相连通。
作为一种较佳的实施例，驱动单元包括可编程AC/DC电源、高压脉冲源、功率放大器、阻抗匹配网A、阻抗匹配网B，可编程AC/DC电源的第一输出通道和第二输出通道分别与高压脉冲源的输入端、功率放大器的输入端电气连接，高压脉冲源的输出端与阻抗匹配网A的输入端电气连接，阻抗匹配网A的输出端与APPJ反应器的输入端电气连接;功率放大器的输出端与阻抗匹配网B的输入端电气连接，阻抗匹配网B的输出端与超声辐射单元的输入端电气连接。
作为一种较佳的实施例，液体流量调整单元包括液压泵、液体流量计、储水箱A、储水箱B、第一液体阀门、第二液体阀门、第三液体阀门、第四液体阀门，液压泵的输入端分别与第一液体阀门的输出端、第二液体阀门的输出端相连通，液压泵的输出端依次连通液体流量计、三口反应器上的进水口，储水箱A的输入端连通第三液体阀门的输出端，储水箱A的输出端连通第二液体阀门的输入端;出水口连通储水箱B的输入端，储水箱B的输出端分别连通第三液体阀门的输入端、第四液体阀门的输入端、水质分析单元，第四液体阀门用来将处理结束的液体排出。
作为一种较佳的实施例，气体流量调整单元包括气泵、气体流量计、风门，风门的输出端依次连通气体流量计、气泵、进气口，气液分离单元的输出端分别连通气体流量计的输入端、风门的输出端，风门的输入端外接外部气源。
作为一种较佳的实施例，光催化单元设置于气液两相反应壳体的下部区域，光催化单元包括多个负载光催化剂的石英小球、用于包裹石英小球上的光催化剂的冲孔网膜。
本发明所达到的有益效果：第一，本发明针对现有的等离子体产生的紫外线不能充分利用以及等离子体与废水接触的面积与处理流量之间的关系难以协调，接触的面积大往往处理流量不足的技术缺陷，设计了一种大气压等离子体射流水处理试验研究装置，该装置利用大气压等离子体射流(APPJ)在气相中产生等离子体的活性物质注入水处理反应器用于降解液相有机废水中的污染物分子，并增加超声辐射单元的超声作用和光催化单元的光催化作用，辅助增强气相放电产生的活性物质处理有机废水，有效地提高了废水处理(降解)的效率。
第二，本发明的气液两相反应单元包括底座、安装在底座上方的壳体、安装在壳体内部的三口反应器和安装在壳体上方的APPJ反应器，APPJ反应器放电产生的等离子体以及紫外线、高能电子等进入三口反应器，与超声辐射单元的超声作用与光催化单元的光催化作用共同作用于气液两相流中的有机废水，可以显著提高有机污染物大分子的降解速率。
第三，本发明的超声辐射单元主要由超声换能器组成，超声换能器与功率放大器之间需要连接阻抗匹配网B，阻抗匹配网B的作用有两大方面：一方面，将放大的功率信号较好地耦合到超声换能器;另一方面，可以减少由于反射功率而造成的电能损耗以及对功率放大器内部放大器件的损害;超声换能器工作产生的超声波传播到气液两相反应单元，利用超声波的空化效应和机械效应等物理化学机制，促进等离子体产生的活性物质在气液两相流中的扩散与传质作用，可以增大气液两相放电等离子体与废水接触的面积，从而起到增强放电等离子体降解有机污染物的作用。
第四，本发明的光催化单元包括多个负载光催化剂TiO2的石英小球和用于包裹石英小球的冲孔网膜。其中将光催化剂TiO2负载于石英小球表面可以极大地增大光催化剂与紫外线的接触面积，从而提高对紫外线的利用效率，进一步产生更多的活性物质用于降解有机污染物。
第五，本发明的气液分离单元主要由气液分离器组成，由于APPJ反应器中通入了一定流量空气，再加上三口反应器中的液体流速较快，使得壳体内部充有一定流量空气的液体的流速加快，为避免流速过快而造成排水口排水不及时而损坏壳体的密封性，因此本发明中的气液分离器起到了缓冲气液两相反应单元内气液两相流的作用。
第六，本发明的光学检测单元由光谱仪和PC机组成，通过使用光谱仪实时监测APPJ反应器所产生的等离子体中的紫外线和活性物质(如OH、O等自由基)的相对光谱强度并将数据传输给PC机，可以探究光信号的相对光谱强度与有机废水的降解效率之间的关联特性，从而在实际生产时，只需要重点关注APPJ反应器是否产生了相对高强度的光信号。
第七，本发明的气体流量调整单元由气泵、气体流量计和风门组成。APPJ反应器的进气口和气液分离单元的出气口均与气体流量调整单元相连。气泵用于往APPJ反应器注入一定流速的空气，使得APPJ反应器放电产生的等离子体不是停留在APPJ反应器内部，而是在流动空气的作用下喷射出APPJ反应器，并注入到三口反应器，缩短了等离子体与液相之间的距离，另外也有效地解决了等离子体中短寿命的活性物质在进入液相之前便消亡的问题。
第八，本发明的液体流量调整单元由液压泵、液体流量计、储水箱和液体阀门组成。气液两相反应单元的进水口和出水口均与液体流量调整单元相连。液压泵用于将有机废水以较快流速送入三口反应器，储水箱和液体阀门的选择连接可以实现有机废水的单次处理和循环处理功能。
第九，本发明的水质分析单元包括一系列对被处理液进行定性和定量分析的仪器。定性分析可以确定水处理过程中所产生的中间产物及最终产物的种类，定量分析可以确定原有机物、中间产物及最终产物的浓度。同时可以根据定性和定量分析来判断是否需要进行下一次处理。
第十，本发明的驱动单元主要包括可编程AC/DC电源、高压脉冲源和功率放大器，其中可编程AC/DC电源的两个输出通道分别连接高压脉冲源和功率放大器，分别用于控制高压脉冲源和功率放大器的输出电信号。高压脉冲源的输出电信号经过阻抗匹配网A的匹配作用，驱动APPJ反应器放电产生等离子体注入气液两相反应单元。功率放大器的输出电信号经过阻抗匹配网B的匹配作用，驱动超声换能起产生超声波作用于气液两相反应单元。
