[发明专利]一种增强型毛细管针放电等离子体水处理装置

说明书

技术领域

本发明属于低温等离子体的应用技术领域，涉及一种可用于水处理的常压等离子体放电反应装置。

背景技术

水资源作为人类生存的基本需求，因为其稀缺性和在生产生活中无可替代的地位必须得到高度重视及切实保护。随着中国工业化和城市化进程加速，对淡水的用量日趋增加，而与此同时，工业污水及生活污水排放量也在逐年递增，导致水资源需求更加紧迫。由于污水，尤其是工业废水成分复杂、污染物种类繁多，其中的一些有机物用常规方法处理时难以有效降解，有些即便可以降解，也会存在降解和脱色不彻底，降解耗时较长等问题。因此，研发新的有效的污水处理方法，提高污水处理效率具有重要意义。

近年来，等离子体科学与技术研究的不断深入促进了等离子体技术在水处理领域的蓬勃发展。众多研究结果表明，放电等离子体技术可以有效地去除水溶液中难以通过生化手段降解的有机物，具有与环境兼容性强、降解效果好、处理效率高、适用性广等显著特点。其特征在于利用以自由基为核心的强氧化剂，通过高能电子轰击、多种强氧化性活性粒子（如自由基、臭氧、过氧化氢等）氧化、紫外辐射、电场作用、高压激波等作用，快速、无选择性、彻底氧化污水中各种有机污染物。由于该技术兼备湿式氧化技术、光催化氧化、电化学催化降解和超临界水氧化法等优点，因此在处理难降解有机污染物方面具有独特的技术优势，被认为是一种具有良好发展前景的废水高级氧化技术。

现阶段可用于水处理应用的等离子体发生装置种类繁多，其中最为常见的类型之一是通过在液面以上的气体环境中产生等离子体，之后将放电产物通过气流输运（或通过扩散作用）注入到水中（如国内申请号200910097878.0中公开的“同时对纤维丝改性和污水处理的室温等离子体炬阵列装置”）。但是，一方面，由于输运路径较长，而放电产物中除臭氧外的大部分活性物种寿命很短（例如，起重要作用的OH自由基寿命小于10^-4秒），因此放电产物中的活性成分在输运过程中损失较大，其作用难以得到充分发挥，最后输运到液体中的有效成分仍以臭氧为主，对处理效果造成一定影响；另一方面，即便可以缩短输运路径，放电产物可以通过扩散作用及时作用于水溶液表面（如国内申请号200720013297.0中公开的“一种电晕放电等离子体水处理装置”，以及国内申请号200880019551.5中公开的“水下等离子体处理设备和利用其处理船只压仓水的系统和方法”），但仍存在放电产物作用深度有限的问题，因此该类型等离子体发生装置通常仅适用于待处理液液量较少或液体厚度较薄的情况。

为了克服上述不足，较常用的方法是使得放电直接在水溶液中发生。当液相介质处于强电场时，会出现解离和碰撞电离现象，形成从高压电极向外延伸的高温高压等离子体通道（流光或火花通道），并产生大量活性成分，如离子（H⁺、H₃O⁺、O⁺、H^-、O^-、OH^-）、自由基（·OH、·H、·O、HO₂）、分子（H₂O₂、H₂、O₂、O₃）和光子、电子等。然而此类装置多采用裸露电极，受水溶液腐蚀严重，且在放电过程中易受到被处理溶液的电导率等因素影响；同时，上述放电对功率源的参数要求较高，多须采用高压脉冲功率源进行激励，而可工业化应用的脉冲高压电源技术难度较大，导致制造成本高。在此基础上，为了进一步提高氧化性物种浓度，同时加强传质过程，并在一定程度上降低对高压电源的参数要求，可在水溶液中鼓入气体，使得在局部气相环境中及气液交界面处产生放电，放电产生的有效成分能够及时与水溶液接触，有效避免活性基团在输运过程中的损失，同时亦克服了放电产物作用深度有限的问题。

国内申请号201010235060.3中公开的“低温等离子体与空气氧化相结合的水处理装置”中提出一种方法：液体中的裸电极通过放电产生自由基、臭氧及紫外光在水中引发有氧参与的链反应，并通过反应容器底部的气泡形成装置提高氧与水的传质，强化处理效果，达到净化目的。然而在应用过程中，该装置的结构特点（采用裸露电极）使其易受到水溶液腐蚀，且在放电过程中会受到被处理溶液的电导率影响。另外，该方法对功率源的参数也提出了较高要求。