申请日2010.06.18
公开(公告)日2012.07.04
IPC分类号H01J65/04; C02F1/32; C02F1/30
摘要
本发明公开一种微波无极准分子灯处理废水的装置及装置中的无极准分子灯的配气系统，装置的废水处理池置于微波发生器的外壳下方，无极准分子灯的1/5～1/3部分固定在谐振腔内，无极准分子灯未置于谐振腔内的部分还套有一下端封闭的石英套管;微波发生器还包括对谐振腔降温的风扇和冷却铜管，风扇固定在外壳的内侧壁上，冷却铜管焊接缠绕在外壳的外表面;无极准分子灯的配气系统在真空泵前还设置一冷井，与第二三通阀的第三端口相连的管道上并联连接有洗气瓶，储气瓶，压力指示计，缓冲瓶和充气管道，真空配气系统真空度高，能根据处理废水具体所需的紫外波长填充不同的气体使之激发出强度高、光效高的紫外光。
摘要附图
权利要求书
1.一种微波无极准分子灯处理废水的装置，包括微波电源(1)、微波发生器、无极准分子灯(5)及废水处理池(9)，微波发生器包括外壳(2)、磁控管(3)、谐振腔壳体(4)，磁控管(3)和谐振腔壳体(4)设置在外壳(2)内，磁控管(3)通过电缆(1-1)与微波电源(1)连接，其特征在于：
所述无极准分子灯(5)包括灯管(5-1)、内管(5-2)、金属线圈(5-3)和填充气体(5-4)，灯管(5-1)由石英玻璃制成且两端封闭，内管(5-2)内包裹金属线圈(5-3)，内管(5-2)可以全部或部分设置在灯管(5-1)内;
废水处理池(9)置于微波发生器的外壳(2)下方，无极准分子灯(5)的1/5～1/3部分固定在谐振腔壳体(4)内;无极准分子灯(5)的该固定在谐振腔壳体(4)内的一端固定了金属线圈(5-3);
无极准分子灯(5)未置于谐振腔壳体(4)内的部分还套有一下端封闭上端敞口的石英套管(8)，并置于废水处理池(9);
微波发生器还包括对谐振腔壳体(4)降温的风扇(6)和冷却铜管(7)，风扇(6)固定在外壳(2)的内侧壁上，且其叶片正对谐振腔壳体(4)，冷却铜管(7)焊接缠绕在外壳(2)的外表面。
2.根据权利要求1所述的微波无极准分子灯处理废水的装置，其特征在于：外壳(2)由支架支撑在地面上，所述支架包括立柱(2-1)和高度可调式支脚(2-2)。
3.根据权利要求1所述的微波无极准分子灯处理废水的装置，其特征在于：外壳(2)的底部中央设有螺纹安装孔，谐振腔壳体(4)的底部开有一安装孔，两个孔同轴;
无极准分子灯(5)由固定件(10-1)固定在谐振腔壳体(4)中，所述固定件(10-1)是一带外螺纹的空心管件，管件的内径与无极准分子灯(5)插入谐振腔壳体(4)的部分的外径大小相等，管件的外侧面设置的外螺纹与外壳(2)底部的螺纹安装孔相配合从而固定件(10-1)固定在外壳(2)的底部;
无极准分子灯(5)的上端从下往上通过固定件(10-1)中间的通孔和谐振腔壳体(4)底部的安装孔进入并固定在谐振腔中。
4.根据权利要求1所述的微波无极准分子灯处理废水的装置，其特征在于：石英套管(8)通过1～3个位于石英套管(8)中的固定架(10-2)而固定在无极准分子灯(5)上，所述固定架(10-2)的主体是一具有弹性的空心圈，空心圈的内径大小与无极准分子灯(5)的灯管(5-1)的外径大小相同;在空心圈的外周壁上还包括3～6个使用时与石英套管(8)的内壁紧配合而相互固定的凸起。
说明书
微波无极准分子灯处理废水的装置与灯的配气系统
技术领域
本发明涉及废水处理的装置，特别是一种利用微波产生紫外光的无极准分子灯深度 处理废水的装置、该装置的无电极灯的真空配气系统。
背景技术
近年来，关于废水深度治理方面的新技术已越来越多，如超声波、超临界流体、膜 分离、等离子体和紫外光解等。紫外光解法反应条件温和、应用范围广、实用性强，被认为 是一项很有发展前景的水处理技术，已受到越来越广泛地关注。目前光化学研究中一般用汞 灯作为紫外辐射光源，辐射波长单一。且传统汞灯都是有电极的，导致了灯管寿命短、耗电 量大、电极材料和发光物质选择范围小等一系列问题。普通光源存在的上述局限性极大地阻 碍了光化学法在废水处理中的应用。
无极准分子紫外灯作为一种新型紫外光源，同普通紫外灯相比，无极紫外光源由于没 有电极，不会产生由于电极氧化、损耗和封接密封问题引起的发黑现象，而且具有制造容 易、价格低廉、能耗小、光强大和反应器简单等优点;可以克服传统紫外光源的局限性，发 光物质选择范围广、寿命长。
根据放电模式的不同，无极灯主要有两种：一种是电激发无极灯，包括电容放电、 感应放电和表面波放电三种放电形式;另一种是微波放电无极灯(Microwave Discharge Electrodeless Lamps，MDELs)，又称微波无极紫外灯。由于微波技术已经很成熟，产生紫外 光相对比较容易，可以避免电激发产生紫外光时需高压脉冲电源和介质击穿问题。因此， MDELs占有更大优势，具有实现大功率和大规模工业化应用的可能，且在光催化氧化中微 波可提高光催化效果。
微波无极灯工作原理是在石英、玻璃或其他材料形成的密闭壳体内填充可蒸发金属 和稀有气体的混合物。稀有气体的作用是激发等离子体放电，当无极灯放置于微波场中，稀 有气体被激发产生低压等离子体，通过等离子体放电产生热使可蒸发的金属变为蒸汽态，产 生更多的等离子体，增大等离子压力，释放更多的能量，形成更高的发光效率。
准分子是对具有束缚的高能态(寿命为10-6s～10-7s)和排斥(弱束缚)的基态分子 (寿命10-13s)的统称，也被称为三体碰撞无辐射复合或原子碰撞态。准分子只能在某些特 殊的气体放电条件下才能产生，如介质阻挡放电、高能电子束、α粒子、同步辐射、高频放 电、微波放电、脉冲放电灯条件。放电时，原子被激发到高的电子能级，这些激发态原子与 基态原子或分子碰撞产生一个分子并借助第三者转移部分能量使之从高的振动激发态驰豫到 低的振动激发态，成为相对稳定的分子，同时发出相应波长的紫外辐射。
稀有气体双原子准分子是最简单的准分子，如He2*、Ne2*、Ar2*、Kr2*和Xe2*是通 过激发态稀有气体的原子R*与基态的原子R通过三体碰撞反应形成的;另一类比较重要的 准分子是稀有气体-卤素准分子，如ArCl*、KrCl*、XeCl*、ArF*、XeF*，主要是通过正 电性的稀有气体离子、激发态与负电性的卤素离子通过三体碰撞复合反应生成的;卤素分子 也能形成准分子，如F2*，Cl2*，Br2*，I2*;另外还有汞-卤素准分子，如HgCl*、HgBr*、 HgI*，以及稀有气体汞化合物准分子，如HgXe*。准分子以激发态存在，并在几个纳秒时 间内返回基态，并将激发态能量以UV光或VUV光的形式辐射出来。准分子返回基态时， 发出相应波长的辐射，光谱范围可从50至600nm，对应光子能量25至2eV，基本满足了光 化学反应所需的能量范围。
目前，关于准分子光源的发光机理、准分子形成的反应动力学、光谱特性等的研究 已比较多，而将无极准分子灯用于污染物降解的研究在90年代后期才得以开展。中国专利 文献CN1303000C(专利申请号200410065979.7)公开了一种微波光催化处理废水的方法和 装置，所述的微波光催化处理废水的装置，包括微波反应炉、废水反应室和无电极灯，微波 反应炉腔中安放废水反应室，废水反应室内壁的凸柱上架设环形固定器，无电极灯插入环形 固定器的小孔中，石英搅拌器置于废水反应室中，搅拌器中轴经废水反应室上部和微波炉上 部的开口与外部旋转电机相连;其中所用的无电极灯是抽空气至2.5～5.0kPa后，充入0.5～ 2.0kPa氩气或氦气，并滴加金属汞1～5滴，最后密封而成。另外，中国专利文献 CN101239299A(专利申请号200810064139.7)公开了一种微波无极紫外光催化一体反应装 置，循环冷却套管和反应腔烧制为一体，循环冷却套管与反应腔之间形成循环冷却水腔，反 应腔的底板上固装有灯座，无极紫外灯安装在灯座上，双层反应器放置在微波化学试验仪的 底板上。
上述废水反应室置于微波反应炉中形式的废水处理装置，能够实现光和微波的协同 作用，具有较高的光催化活性;但是这种结构由于将废水反应室与微波发生器集中在一个外 壳内，导致整套装置的结构较为复杂，且限制了废水反应室的大小，实际应用时，当废水反 应室设计得较大时，微波反应炉必需相应地增大容积，造成成本的提高;另外，装置所用的 紫外光源单一，对于第一份公开文件，所用无极灯的真空度不够高，显著影响光强、光效和 使用寿命，没有体现出准分子光源紫外辐射波长范围广、使用寿命长等优势，其直接原因是 没有配套的真空设备来实现灯管内气体的填充，因而不能根据具体所需的紫外波长填充不同 的气体从而在微波激发下产生紫外光直接光解不同废水，亦不能在灯管高真空的状态下填充 高纯度的气体得到高光强、高光效的灯管。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种结构简单、废水处理室易于扩展的微波无极准分子灯 深度处理废水的装置，目的之二是提供一种上述废水处理装置所用的无极准分子灯的真空配 气系统，从而获得紫外光强度高、任意波长的紫外光源。
实现本发明目的的技术方案是一种微波无极准分子灯处理废水的装置，包括微波电 源、微波发生器、无极准分子灯及废水处理池，微波发生器包括外壳、磁控管、谐振腔壳 体，废水处理池置于微波发生器的外壳下方，无极准分子灯的1/5～1/3部分固定在谐振腔壳 体内; 无极准分子灯未置于谐振腔壳体内的部分还套有一下端封闭上端敞口的石英套管，并置于废 水处理池; 微波发生器还包括对谐振腔壳体降温的风扇和冷却铜管，风扇固定在外壳的内侧壁上，且其 叶片正对谐振腔壳体，冷却铜管焊接缠绕在外壳的外表面。
外壳由支架支撑在地面上，所述支架包括立柱和高度可调式支脚。
外壳的底部中央设有螺纹安装孔，谐振腔壳体的底部开有一安装孔，两个孔同轴; 无极准分子灯由固定件固定在谐振腔壳体中，所述固定件是一带外螺纹的空心管件，管件的 内径与无极准分子灯插入谐振腔壳体的部分的外径大小相等，管件的外侧面设置的外螺纹与 外壳底部的螺纹安装孔相配合从而固定件固定在外壳的底部; 无极准分子灯的上端从下往上通过固定件中间的通孔和谐振腔壳体底部的安装孔进入并固定 在谐振腔中。
石英套管通过1～3个位于石英套管中的固定架而固定在无极准分子灯上，所述固定 架的主体是一具有弹性的空心圈，空心圈的内径大小与无极准分子灯的灯管的外径大小相 同;在空心圈的外周壁上还包括3～6个使用时与石英套管的内壁紧配合而相互固定的凸 起。
所述无极准分子灯包括灯管、内管、金属线圈和填充气体，灯管由石英玻璃制成且 两端封闭，内管可以全部或部分设置在灯管内。
一种无极准分子灯的配气系统，包括真空泵、三通阀、扩散泵、洗气瓶、储气瓶、 压力指示计、充气管、排气口、缓冲瓶和各部分进行连接的相应的管道、阀门或活塞;还包 括一设置在真空泵和三通阀之间的冷井，也即真空泵前还设置一冷井; 三通阀包括第一三通阀和第二三通阀，按照气体的运动顺序，真空泵的抽气口经液氮冷井与 第一三通阀的第一端口相连;第一三通阀的第三端口经管道与第二三通阀的第一端口相连; 第二三通阀的第二端口经管道与扩散泵的第一抽气口相连;扩散泵的第二抽气口经管道与第 一三通阀的第二端口相连;第二三通阀的第三端口通过第六管道分别与洗气瓶，储气瓶，压 力指示计，缓冲瓶以及充气管道相连;第六管道远离第二三通阀的端口未被封闭，该端口设 置一个排气阀门作为排气口。
压力指示计包括指示大于10torr压力值的耐腐蚀压力表和指示0.1torr至10torr压力 值的U型压力计，U型压力计中的指示液是浓硫酸、浓磷酸或真空油脂。
储气瓶包括卤素储气瓶，惰性气体储气瓶，汞储气瓶;其中卤素储气瓶包括氟气 瓶、氯气瓶、溴水瓶、碘瓶;惰性气体储气瓶包括He、Ne、Ar、Kr、Xe各自的气瓶;汞储 气瓶中装有液态汞。
储气瓶通过各自的支路管道和无油活塞连接到第六管道上，其中各无油活塞通过玻 璃管烧结在第六管道上，第六管道上烧结2～6个无油活塞;储气瓶的出气口烧结连通到相应 一个支路管道的进气口处从而连接到第六管道上。
配气系统还包括对储气瓶降温的液氮槽和对储气瓶加热的加热器。
本发明具有积极的效果：(1)本发明的废水处理装置中准分子灯辐射的紫外光强度 高、波长可调，可直接光解多种低浓度难降解废水(包括焦化废水、制药废水和染料废水 等)，使之达标排放;装置的操作简单、去除率高、并可实现产业化应用。(2)本发明的废 水处理装置能同时调节微波的功率、频率，并可改变无极灯的形状、尺寸和插入谐振腔的深 度，使无极灯能持续有效地发光。(3)本发明的废水处理装置结构简单，配合真空配气系 统，能广泛应用于废水的光解或光催化降解。(4)本发明的真空配气系统真空度高，能根据 处理废水具体所需的紫外波长填充不同的气体使之激发出强度高、光效高的紫外光。