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超聲空化等離子體水處理裝置及其處理方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510940724.9

申請日:

2015.12.16

公開號:

CN105540727A

公開日:

2016.05.04

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回 IPC(主分類):C02F 1/30申請公布日:20160504|||實質審查的生效IPC(主分類):C02F 1/30申請日:20151216|||公開
IPC分類號: C02F1/30; C02F1/36 主分類號: C02F1/30
申請人: 趙赫; 李芳
發明人: 趙赫; 李芳
地址: 210009 江蘇省南京市鼓樓區新模范馬路5號
優先權:
專利代理機構: 江陰市同盛專利事務所(普通合伙) 32210 代理人: 唐紉蘭;周彩鈞
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510940724.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.02.26|||2016.06.01|||2016.05.04

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種超聲空化等離子體水處理裝置及其處理方法,所述裝置包括水箱(1),所述水箱(1)內設置有水體(2),所述水體(2)內設置有左右兩個等離子體發生器(3),所述左右兩個離子體發生器(3)下方均設置有超聲空化換能件(5),所述超聲空化換能件(5)外側設置有防護罩殼(6)所述水箱(1)外側設置有進水閥(10)和排水閥(4)。本發明一種超聲空化等離子體水處理裝置及其處理方法,在水體反應介質中超聲空化和等離子體共同存,相互作用,顯著加快了等離子體的與介質的相互作用速度,可實現規模化等離子體作用效果,能量利用率大為提高,克服了反應死區問題。

權利要求書

1.一種超聲空化等離子體水處理裝置,其特征在于:它包括水箱(1),所述水箱(1)內設
置有水體(2),所述水體(2)內設置有左右兩個等離子體發生器(3),所述左右兩個離子體發
生器(3)下方均設置有安裝撐架(9),所述安裝撐架(9)上設置有超聲空化換能件(5),所述
超聲空化換能件(5)外側設置有防護罩殼(6),所述水箱(1)頂部設置有氣體處理器(11),所
述水箱(1)底部設置有污泥排放閥(8),所述水箱(1)外側設置有進水閥(10)和排水閥(4),
所述進水閥(10)的高度高于排水閥(4)。
2.一種超聲空化等離子體水處理裝置的處理方法,其特征在于:需處理的水體(2)通過
進水閥(10)進入水箱(1)內,開啟超聲空化換能件(5)和等離子體發生器(3)共同作用于需
處理的水體(2),經過一段時間后,水體(2)達到了處理排放指標,達到指標后的水體(2)通
過排水閥(4)進行排放。
3.根據權利要求2所述的一種超聲空化等離子體水處理裝置的處理方法,其特征在于:
所述箱體(1)的底部設有污泥排放閥(8),用于對處理水體(2)產生的沉淀物(7)積累到一定
程度時進行排放。
4.根據權利要求2所述的一種超聲空化等離子體水處理裝置的處理方法,其特征在于:
所述箱體(1)的頂部設有氣體處理器(11),用于對箱體(1)內的廢氣收集并進行處理后排
放,以保證整個水處理過程無異味排放。

說明書

超聲空化等離子體水處理裝置及其處理方法

技術領域

本發明涉及一種超聲空化等離子體水處理裝置及其處理方法。

背景技術

等離子體系統特別是低溫等離子系統通常由電源、反應器、控制和冷卻等部分組
成。反應器作為等離子體系統的核心組成部分,承擔著與需處理介質的接觸、完成反應的整
個內容。現有等離子體在水體中的放電方法有:介質阻檔放電、電弧放電等。用等離子體法
進行水處理包括水的深度凈化處理和污水處理。等離子體法水處理特別是高濃度重污染污
水處理具有處理效果好,占地面積小,易于實現自動化。但也存在許多難以克服的問題:

1.由于水體的密度遠遠大于氣體的密度,當水中等離子體放電產生的高能電子在與水
體分子的頻繁碰撞中會很快失去動能,其透入的深度相當微小,因而,大量的水體用等離子
體的方法處理較為困難;

2.對于水中脈沖放電處理水體,放電通道與水體接觸的只能局限于兩個電極之間,接
觸面積小,主要依靠沖擊波在水中傳播起到一定的作用,對有害物質的分子起作用只能局
限在放電通道能于水體接觸的部分,因此,現有的等離子方法只限于實驗室狀態或小型工
程使用;

3.現有的等離子體方法作用于水體,有許多放電方式難以在水體中實現,如沿面放電
等;

4.反應速度慢,對水體介質的作用效率不高,有大量反應死區等問題存在。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術提供一種超聲空化等離子體水
處理裝置及其處理方法,在水體反應介質中超聲空化和等離子體共同存,相互作用,顯著加
快了等離子體的與介質的相互作用速度,可實現規模化等離子體作用效果,能量利用率大
為提高,克服了反應死區問題。

本發明解決上述問題所采用的技術方案為:一種超聲空化等離子體水處理裝置,
它包括水箱,所述水箱內設置有水體,所述水體內設置有左右兩個等離子體發生器,所述左
右兩個離子體發生器下方均設置有安裝撐架,所述安裝撐架上設置有超聲空化換能件,所
述超聲空化換能件外側設置有防護罩殼,所述水箱頂部設置有氣體處理器,所述水箱底部
設置有污泥排放閥,所述水箱外側設置有進水閥和排水閥,所述進水閥的高度高于排水閥。

一種超聲空化等離子體水處理裝置的處理方法,需處理的水體通過進水閥進入水
箱內,開啟超聲空化換能件和等離子體發生器共同作用于需處理的水體,經過一段時間后,
水體達到了處理排放指標,達到指標后的水體通過排水閥進行排放。

所述箱體的底部設有污泥排放閥,用于對處理水體產生的沉淀物積累到一定程度
時進行排放。

所述箱體的頂部設有氣體處理器,用于對箱體內的廢氣收集并進行處理后排放,
以保證整個水處理過程無異味排放。

與現有技術相比,本發明的優點在于:

1、本發明在水體反應介質中超聲空化和等離子體共同存,相互作用,顯著加快了等離
子體的與介質的相互作用速度,可實現規模化等離子體作用效果,能量利用率大為提高,克
服了反應死區問題;

2、本發明具有實施容易、成本低、可靠性高等特點;

3、本發明特別適用于污水處理、水體深度凈化,同樣適用于其它液體的處理,如工業乳
化液、生物化工反應、液固混合介質如餐飲固體廢物無害化處理等場合,可廣泛應用于環境
工程、生化、醫藥、食品等生產過程;

4、本發明方法易行,用于污水處理效果好,成本低、并適合大水量的處理,實際操作性
強,便于工程應用;

5、本發明不但可用于水的深化凈化處理,也可廣泛應用于污水的無害化處理,用于自
來水廠的水體深度凈化生產可免去作為滅菌劑氯的大量使用;還可廣泛應用于生活污水、
醫藥生化污水、印染污水等的凈化和無害化處理;

6、本發明方法實施簡便、成本低、適合大水量處理,便于工程的規模化推廣并容易實現
自動化控制,具有廣泛的應用意義。

附圖說明

圖1為本發明一種超聲空化等離子體水處理裝置的結構示意圖。

其中:

水箱1

水體2

等離子體發生器3

排水閥4

超聲空化換能件5

防護罩殼6

沉淀物7

污泥排放閥8

安裝撐架9

進水閥10

氣體處理器11。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

如圖1所示,本實施例中的一種超聲空化等離子體水處理裝置,它包括水箱1,所述
水箱1內設置有水體2,所述水體2底部為沉淀物7,所述水體2內設置有左右兩個等離子體發
生器3,所述左右兩個離子體發生器3下方均設置有安裝撐架9,所述安裝撐架9上設置有超
聲空化換能件5,所述超聲空化換能件5外側設置有防護罩殼6,所述水箱1頂部設置有氣體
處理器11,所述水箱1底部設置有污泥排放閥8,所述水箱1外側設置有進水閥10和排水閥4,
所述進水閥10的高度高于排水閥4。

所述超聲空化等離子體水處理裝置的處理方法如下:

需處理的水體2(或污水)通過進水閥10進入水箱1內,開啟超聲空化換能件5和等離子
體發生器3共同作用于需處理的水體2,經過一段時間后,水體2達到了處理排放指標,達到
指標后的水體2通過排水閥4進行排放。

箱體1的底部設有污泥排放閥8,用于對處理水體2產生的沉淀物7積累到一定程度
時進行排放。

箱體1的頂部設有氣體處理器11,用于對箱體1內的廢氣收集并進行處理后排放,
以保證整個水處理過程無異味排放。

對于水處理及相關領域,導致了單純超聲空化或單純等離子體作用于水體不可能
出現的顯著水處理效果:單純的超聲空化不能達到水處理的如滅菌、脫色、無害化等功能;
單獨的等離子體作用于水體,具有較多的局限性,如難以實現水中大面積放電,放電時與水
體接觸范圍小、處理效果不均勻和高能粒子擴散范圍有限等。至今為止,在水體中難以實現
大面積的等離子體放電,超聲空化實現了放電等離子體與水體接觸的條件。在氣體或氣液
混合的系統中可有效地擴大了等離子體放電產生的作用區域,可以方便地實現氣液混合環
境中的電暈放電、脈沖放電、沿面放電和弧光放電等。作用于水體的能量波頻率高于20000
赫茲并保證能量足夠高時,就會產生“超聲空化”現象,存在于水體中的微小氣泡(空化核)
在超聲場強的作用下發生振動、生長并不斷進行聲場能量聚集,當能量達到閾值時,會在水
體中出現空化氣泡急劇崩潰閉合現象。在水體中,如水空化氣泡的壽命約為0.1μs,它在急
劇崩潰的同時釋放出巨大的能量,并產生速度約為110m/s、有強大沖擊力的微射流,使碰撞
密度高達1.5kg/cm2,另外,水中的空化氣泡在急劇崩潰的瞬間會產生局部高溫高壓
(5000K,1800atm),其冷卻速度可達109K/s。在等離子體條件下,以水為例,水的Er=80,通
過超聲空化形成水氣相間的混合態,通過等離子體放電電極,在混合體的周圍形成畸變的
高電場,可電暈放電現象,當作用外加電壓8kV,高壓脈沖的上升時間為μs級,放電時可產生
的電子溫度達5-20eV,水氣混合的電離離子和超聲空化產生的中性氣體溫度接近常溫的
非平衡等離子體。

在水(污水)環境中作用超聲空化和等離子體,激發的微泡中含有脈動高壓力的空
氣、水蒸氣,等離子體與其共同作用,污水中的分子、顆粒物、菌類及有毒有害成份呈現特別
的活化狀態,在微觀上發生著復雜的物理和化學反應,電子與分子間發生的反應涉及:激
發、離解、附著、離解吸附、電離、離解電離、偶合、復合、離脫。在分子與原子間發生的反應涉
及:潘寧離解、潘寧電離、電荷轉移、離子復合。超聲空化等離子體作用于污水產生的合成反
應可以發生在三個層面:電子、分子和質子。超聲空化中微泡中含有脈動高壓力的空氣、水
蒸氣,在與等離子體共同作用具有較高的局部高溫條件下,水分子和污泥顆粒包括污泥中
的菌類、有毒有害成份呈現特別的活化狀態,在微觀上發生著復雜的物理和化學反應,反應
機理如下:

O2→2O

NOX→N2+O2

SOX→S+O2

CO2→C+O2

O2(+M)+O→O3+(+M)

·OH+H2S→HS+H2O

O+H2S→HS+·OH

·OH+NH3→NH2+H2O

·OH+CO→CO2+·H

工作過程中,超聲空化和等離子體放電還可激發出大量的臭氧和紫外線,會以較強的
氧化作用破壞微生物膜的結構,以實現殺菌作用。臭氧和紫外線對細菌的共同滅活反應進
行的很迅速,與使用殺菌劑比較,超聲空化和等離子體放電能與細菌細胞壁脂類的雙鍵反
應,穿入菌體內部,作用于蛋白和脂多糖,改變細胞的通透性,從而導致細菌死亡;超聲空
化和等離子體放電的能量可直接作用于細胞內的核物質,如核酸中的嘌呤和嘧啶破壞DNA,
作用過程是首先作用于細胞膜,使膜構成成份受損傷,而導致新陳代謝障礙,繼續滲透穿透
膜,而破壞膜內脂蛋白和脂多糖,改變細胞的通透性,導致細胞溶解、死亡。

超聲空化等離子體水處理方法的作用機理:

1、“超聲空化”現象表現出一種波的形式,它的方向性好,穿透能力強,易于獲得較集中
的能量,在水中傳播距離遠。此外,“超聲空化”的波動現象能在水體介質中的反射、折射、衍
射、散射傳播,在超聲范圍,其波長可從幾厘米至千分之幾毫米。通常的水體中存在的其它
物質的尺寸要比超聲波的波長大好多倍,因此超聲波的衍射本領下降,可表現在均勻介質
中能夠定向直線傳播,超聲波的波長越短,該特性就越顯著。

2、等離子體產生大量的高能電子的轟擊,形成類似于電子束作用的效果。

3、放電產生強烈的紫外線照射,作用于水體的空化的氣泡,起到了電化學處理的
效果。

4、超聲空化折出的氣泡中含有的氧氣與等離子放電過程結合,會產生大量的臭
氧,臭氧反過來再溶解于水體中,對水體及存在的物質起到強氧化作用。

5、超聲空化氣泡與高壓放電產生的臭氧具有對水體滅菌、凈化水體和強烈的脫色
效果。

6、超聲空化的波動能加上空泡的大量產生、上浮、向介質密度小的區域擴散、聚合
與破滅等動能的出現與變化,促進了水體的運動,并快速穿透于等離子體放電區域,把放電
產生的自由基快速帶向放電區以外,使等離子體作用范圍迅速擴大。

7、等離子體放電對水體產生的作用力,結合于超聲空化能量波的運動,合理的布
置超聲器件和等離子體工作區,能有效去除工作死區。

8、“超聲空化”在傳播時,會推動水體中的微粒振動而對微粒做功。在相同強度下,
頻率越高,它所具有的功率就越大。當超聲空化現象出現在在介質的傳播過程中,存在一個
正負壓強的交變周期,在正壓相位時,能量波對介質分子擠壓,改變介質原來的密度,使其
增大;在負壓相位時,使介質分子稀疏,進一步離散,介質的密度減小,當用足夠大振幅的超
聲波作用于水體介質時,介質分子間的平均距離會超過使水體介質保持不變的臨界分子距
離,水體介質就會發生斷裂,形成微泡。這些小空洞迅速脹大和閉合,會使水體微粒之間發
生猛烈的撞擊作用,從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用,會
使水體的溫度驟然升高,起到了很好的攪拌作用,從而使兩種不相溶的水體發生乳化,且加
速溶質的溶解,加速化學反應。

9、超聲空化結合等離子體可產生較單純等離子體的大量活性自由基,有顯著的滅
菌效果。

10、等離子體放電施加于超聲空化的過程,不但促使水體內產生大量的臭氧,更有
增強了空泡超聲推力的擴散運動,空泡運載臭氧和水體溶解的臭氧會到達更廣的范圍。

11、超聲空化大量的空泡作用于等離子體通道,大大增加了介質與等離子體的反
應面積,不但工效大為提高,能源利用率大為提高。

12、超聲空化與等離子體的共同作用,促進了上、中、下層水體的處理效果的均勻
性。

13、當超聲空化功率加大到霧化的氣液混合狀態時,可比正常水體更易實現電暈
放電、輝光放電、射頻放電、沿面放電,大大豐富了水體的等離子體應用手段。

14、超聲空化等離子體共同作用大大提高等離子體的反應速率,實現非均勻相水
體或液固混合反應物間的均勻作用,加速反應和擴散,促進新反應物的形成。

除上述實施例外,本發明還包括有其他實施方式,凡采用等同變換或者等效替換
方式形成的技術方案,均應落入本發明權利要求的保護范圍之內。

關 鍵 詞:
超聲 等離子體 水處理 裝置 及其 處理 方法
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