[发明专利]通过冷等离子体和光催化作用在微珠床中处理污水的方法

说明书

本发明涉及使用组合的光催化作用和冷等离子体技术对含有化学污染物、微生物和/或颗粒的气态或水性污水进行处理。

本发明的目标是处理含有环境污染物的污水，环境污染物例如颗粒，病毒、细菌、霉菌和藻类微生物，VOC、SVOC、BTEX、HAP(C10-C25)、HAAA、NOx、SOx、H₂S、CO或O₃类型的化学污染物，卤代化合物，内分泌干扰剂和所有嗅觉分子。

本发明的主题在例如化工和石油化工领域，医疗和医院领域，农业食品配制线，食品生产和家禽饲养点，园艺、树木培植和葡萄栽培类型，水果、蔬菜、鱼、肉、奶酪或烘焙类型的易腐烂食品的冷藏，水处理厂、微型工作站、雨水收集罐、在三级(tertiary)、私人和服务公众的公共部门和住所等中特别有利，但是并不仅包括这些应用。

通过介电阻挡放电而产生的冷等离子体的原理在于形成激发的自由基类型的化学物质、阴离子和阳离子。以此方式产生的气态等离子体意味着可以攻击气态或水性污水中含有的污染物的化学键。在实践中，通过在两个被电介质(例如空气间隙)分隔的对称电极之间施加高电压，而在大气压下得到冷等离子体。在电弧的作用下，空气间隙被离子化。电弧将环境中含有的组分离子化，形成阴离子、阳离子、小的自由基和激活的物质。那些化合物将存在的化合物降解。

使用通过介电阻挡放电而产生的冷等离子体来破坏化学分子和挥发性有机化合物(VOC)是本领域已知的。在该技术中，在大气压下在含有氧的污水中形成等离子体意味着可以产生O₃。根据其浓度，O₃对微生物具有杀菌作用。

光催化作用是采用光催化剂的化学氧化－还原方法通过紫外(UV)光子激发而引发的反应，其能够破坏空气或水中存在的各种有机污染物。在短于380纳米(nm)的波长下对金属氧化物(M-OX)类型的半导体进行UV辐射之后，光催化作用提供了自由基(O₂和OH)的形成。在UV辐射期间，M-OX类型半导体的电子云被改变；一个或多个电子穿过电子间隙。在与空气和水接触时，这些电子在M-OX类型半导体的表面上形成羟基和氧类型的自由基。这些具有极高反应动力学的自由基攻击经UV辐射被吸附在活性M－OX位点上的有机化学组分，并使它们降解，使它们的化学键断裂。化合物可以完全或部分降解成CO₂、H₂O、N₂等。

在例如专利申请WO00/72945中已描述了单独使用UV光催化作用以降解气态污水中的化合物。进一步地，已经结合地描述了光催化作用和冷等离子体这两种技术。

例如，专利申请WO2007/051912描述了处理气态污水的方法，其将来自介电阻挡放电的冷等离子体与采用外部UV源的光催化作用同时结合在喷淋床型反应器中。介电阻挡放电装置的介电壁被涂覆有TiO₂作为光催化剂。在被UV辐射活化的光催化剂内发生等离子体放电。在该文献中描述的技术具有以下缺点：TiO₂中的放电过程中产生的反应性物质主要为阴离子和阳离子，其一部分被消耗，以从O₂^-、O₃^-和OH^-产生自由基。该技术限制放电期间臭氧的形成，但是不阻止其在反应器出口形成以及继发污染物的形成。而且，反应器的几何结构意味着其不可能获得充分长的矿化时间以将所有通过放电产生的离子性物质转化为自由基。

专利US2002/0168308还描述了一种用于处理空气以便净化病毒和细菌类型的微生物的系统。该处理系统包括环形反应器，其中心放置有放电灯以使空气离子化并形成臭氧。包括在两个金属网套管之间的多孔电介质构成反应器的壁。在该部分中产生介电放电，以允许形成离子和自由基物质，并消耗在中心腔室中形成的臭氧。

以三个步骤进行纯化：

●在反应器的中心的UV辐射和离子化，形成离子性物质和臭氧；

●在多孔电介质内的放电和光催化作用：形成离子和臭氧，且形成自由基，并破坏整个多孔电介质内的臭氧；

●在出口的过滤。

该技术具有与专利申请WO2007/051912中相同的缺点。光催化反应引发产生自由基的均裂氧化还原反应，而放电过程引发产生离子的异裂反应。此外，光催化反应更加迅速，并由此占据优势，其限制了反应器内离子、臭氧和自由基反应性物质的不均匀梯度的形成。氧化能力没有发生变化，且不能有效和完全地使化学污染物和微生物污染物矿化。