申请日2004.06.23
公开(公告)日2005.03.16
IPC分类号C02F1/46; C02F1/48
摘要
脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方法及装置属于环境污染治理技术领域。本发明是根据电晕流光放电原理，采用形成强不均匀电场的电极结构，窄脉冲高压电源供电，在水中形成脉冲电晕流光放电，应用放电产生的流光和火花作为光源，诱导电场中半导体催化剂的光催化活性，也应用电场阻止电子-空穴复合和脉冲放电等离子体等的协同效应，在水体中产生多的强氧化性基团，达到降解废水中溶解有机物的目的。本发明具有原理简单、有机物降解效果好的优点。适用于难生化降解有机废水的处理，也能够用来处理有机废气。
权利要求书
1.【文件来源】电子申请
2.【收文日期】2004-6-23
3.【申请号】
4.【权利要求项】
【权利要求1】脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方法，其特征在于，脉 冲高压电源(5)输出高压，施加在放电电极(1)和低压电极(2)之间，调整放电电极(1 )和低压电极(2)之间距离、电源(5)输出脉冲电压峰值，使放电电极1和低压电极2之间 的电场强度达到?~100kV/cm范围，在电极(1)、电极(2)之间形成放电等离子体，产生流 光放电、火花放电;脉冲放电产生的流光、火花作为光源，诱导半导体催化剂(3)活性，产 生氧化性基团，氧化废水中的有机物。
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【权利要求2】根据权利要求1所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方 法，其特征在于，半导体催化剂附着在电极表面上。
【权利要求3 】根据权利要求1所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方 法，其特征在于，半导体催化剂附着在载体上。
【权利要求4】根据权利要求1所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方 法，其特征在于，半导体催化剂是粉体。
【权利要求5】根据权利要求1、2、3或4所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理 有机废水方法，其特征在于，半导体催化剂中掺有金属离子。
【权利要求6】根据权利要求1、2、3或4所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理 有机废水方法，其特征在于，半导体催化剂为金属氧化物。
【权利要求7】实现权利要求1所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方 法的装置，其特征在于，由放电等离子体反应器(4)、脉冲高压电源(5)和水循环系统构 成，反应器(4)内设置有放电电极(1)、低压电极(2)，半导体催化剂(3)置于反应器 (4)里，水循环系统由水槽(7)、水泵(10)和管道(12)构成，形成连续式或间歇式， 脉冲高压电源(5)用电源引线(9)与放电电极(1)、低压电极(2)连接，气泵(6)与反 应器(4)内的曝气头(8)连接。
【权利要求8】根据权利要求7所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水装 置，其特征在于，放电电极(1)、低压电极(2)为针-板式，针型的放电电极(1)安置在 基盘(13)上，基盘(13)是表面光滑的金属平板，板型的低压电极(2)是光滑的金属平板 ，针型的放电电极(1)和板型的低压电极(2)的间距为0.5~10cm。
【权利要求9】根据权利要求7或8所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废 水装置，其特征在于，放电电极针(1)是曲率半径0.1~10mm的金属管，曝气的气体通过放电 电极针(1)进入反应器(4)内部。
【权利要求10】根据权利要求7所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水 装置，其特征在于，放电电极(1)、低压电极(2)为线-板式，线型放电电极(1)为曲率 半径0.1-10mm的金属线或带有棱角的星型线，线型放电电极(1)安装在曲率半径为0.3~30mm 的框架(14)上，板型的低压电极(2)是光滑平行的金属平板，线型的放电电极(1)和板 型的低压电极(2)的间距是0.5~10cm。
【权利要求11】根据权利要求7所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水 装置，其特征在于，放电电极(1)、低压电极(2)为线-筒式，线型放电电极(1)为曲率 半径0.1~10mm的金属线或带有棱角的星型线，线型的放电电极(1)通过绝缘子(15)和法 兰盘固定，筒型的低压电极(2)是表面光滑的金属圆筒，线型的放电电极(1)和筒型的低 压电极(2)保持同轴，线型的放电电极(1)和筒型的低压电极(2)的间距是0.5~10cm。
【权利要求12】根据权利要求7所述的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水 装置，其特征在于，放电电极(1)、低压电极(2)为螺旋环线-筒式，线型放电电极(1) 为曲率半径0.1~10mm的金属线或带有棱角的星型线，筒型的低压电极(2)是表面光滑的金属 圆筒，线型的放电电极(1)环绕在绝缘介质棒(16)上，呈螺旋状，螺旋的旋距等于电极间 距，绝缘介质棒(16)和筒型的低压电极(2)保持同轴，绝缘介质棒(16)和筒型的低压电 极(2)的间距是0.5~10cm。
说明书
脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方法及装置
技术领域
本发明属于环境污染治理技术领域。特别涉及一种脉冲放电等离子体诱导光催化处理有 机废水方法和装置。
背景技术
随着工业的飞速发展，世界人口的增加，对淡水的需求量正在迅猛的增加，由此带来工 业污水和生活污水量的增加。这些污水中含有大量的有机物和重金属，如不加处理直接排放 ，将给环境带来严重污染，影响到人类的生存和工农业的可持续开展。目前，常用的废水处 理是生化法，并有一些物理化学方法相补充，如电解法、气浮法、吸收法等。但是，这些方 法对处理难生化降解有机物废水的效果还不能达到处理要求。因此必须研究开发新的水污染 控制技术，如半导体光催化技术和脉冲放电等离子体技术等。
半导体光催化降解水中难生化有机物是目前国内外热门的研究课题，进行了比较广泛和 深入的研究，并取得了一些研究结果。其原理是当能量大于禁带宽度的光照射半导体时，其 满带上的电子(e-)被激发，跃迁禁带进入导带，同时在满带上产生相应的空穴(h+)。若 半导体此时处于溶液中，则在电场的作用下电子与空穴分离并迁移到粒子表面的不同位置。 光生空穴有很强的得电子能力，可夺取半导体颗粒表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不 吸收入射光的物质被活化氧化，而电子受体则可以通过接受表面上的电子而被还原。水溶液 中的光催化氧化反应，在半导体表面失去电子的主要是水分子，水分子经变化后生成氧化能 力极强的羟基自由基OH，由其与有机物反应。由于电子和空穴在到达催化剂界面之前，要 发生复合，降低了电子和空穴与希望反应物的化学反应，即降低了光催化剂效果。所以，为 了抑制电子和空穴的复合，需要向溶液中加入俘获剂，或增加一个外加电场，来保证半导体 光催化效果。
目前，脉冲放电等离子体技术在水处理方面得到了广泛研究。其原理是利用脉冲放电等 离子体产生的高能电子，撞击水分子和水体中溶解的气体分子，发生电离和激发，产生氧化 性强的活性基和臭氧，来氧化水体中溶解的有机物。但是，脉冲放电等离子体在产生高能电 子过程中，伴随着流光和火花的产生。而放电产生的流光和火花在废水处理中具体作用，以 及利用产生光进一步引起其他效应在废水处理中作用的研究也没有见到相关报道。
发明内容
本发明的目的就是提供一种将半导体光催化和脉冲放电等离子体技术在水处理中的优点 结合起来的脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方法及装置。
本发明的原理是利用脉冲放电产生的流光和火花作为光源来诱导半导体催化剂的活性， 产生活性物种，氧化分解水体中存在的难生化降解的有机物，生成无机物，或是生成易可生 化降解的有机物，实现降解水中难生化有机物的目的。
放电流光和火花直接作用在半导体催化剂上，光源的效率高;放电流光和火花的频谱主 要分布在紫外区，是半导体催化剂的灵敏区域;脉冲放电的电场可以阻止电子-空穴复合， 节省向光催化反应器投加俘获剂的过程;放电电场可以加速价带上和导带上的电子，使更多 的价带上的电子跃迁到导带上，增加电子-空穴对的产生数量;放电等离子体在水体中可以 产生如OH*、O3等强氧化性的活性基和物种，产生协同作用，达到提高降解废水中溶解有机 物效果的目的。同时，应用本发明可以处理气体中的有机气体。
本发明的技术解决方案是，一种脉冲放电等离子体诱导光催化处理有机废水方法，脉冲 高压电源5输出高压，施加在放电电极1和低压电极2之间，调整放电电极1和低压电极2之间 距离、电源5输出脉冲电压峰值，使放电电极1和低压电极2之间的电场强度达到?-100kV/cm 范围时，在电极1、电极2之间形成放电等离子体，产生流光放电、火花放电;脉冲放电产生 的流光、火花作为光源，诱导半导体催化剂3活性，产生氧化性基团，氧化有机物，半导体 催化剂为金属氧化物，如二氧化钛。
半导体催化剂附着在电极表面上。
半导体催化剂附着在载体上。
半导体催化剂是粉体。
半导体催化剂中掺有金属离子。
实现脉冲放电等离子体诱导半导体光催化处理有机废水的方法的装置，由放电等离子体 反应器4、脉冲高压电源5和水循环系统构成，反应器4由放电电极1、低压电极2构成，水循 环系统由水槽7、水泵10和管道12构成，脉冲高压电源5用电源引线9与放电电极1、低压电极 2连接，气泵6与反应器4内的曝气头8连接。
放电电极1、低压电极2为针—板式，针型的放电电极1为实心的或空心的针尖、实心的或 空心的金属棒或金属管，针型的放电电极1安置在基盘13上，基盘13是表面光滑的金属平板 ，板型的低压电极2是光滑的金属平板，针型的放电电极1和板型的低压电极2的间距为 0.5-10cm。
放电电极1、低压电极2为线—板式，线型放电电极1为曲率半径0.1-10mm的金属线或带有 棱角的星型线，线型放电电极1安装在曲率半径为0.3-30mm的框架14上，板型的低压电极2是 光滑平行的金属平板，线型的放电电极1和板型的低压电极2的间距是0.5-10cm。
放电电极1、低压电极2为线-筒式，线型放电电极1为曲率半径0.1-10mm的金属线或带有 棱角的星型线，线型的放电电极1通过绝缘子15和法兰盘固定，筒型的低压电极2是表面光 滑的金属圆筒，线型的放电电极1和筒型的低压电极2保持同轴，线型的放电电极1和筒型的 低压电极2的间距是0.5-10cm。
放电电极1、低压电极2为螺旋环线-筒式，线型放电电极1为曲率半径0.1-10mm的金属线 或带有棱角的星型线，筒型的低压电极2是表面光滑的金属圆筒，线型的放电电极1环绕在绝 缘介质棒16上，呈螺旋状，螺旋的旋距等于电极间距，绝缘介质棒16和筒型的低压电极2保 持同轴，绝缘介质棒16和筒型的低压电极2的间距是0.5-10cm。
针-板式电极结构。放电电极是曲率半径小的金属针、棒或针管，针、棒、和管是安装 在一个电极结构相匹配的基盘上，基盘是金属的。低压电极是接地的金属板，放电电极垂直 于低压电极。基盘根据放电电极类型确定，当放电电极针是实心的情况下，在基盘上制作成 均匀分布孔，用于气体和水通过;当放电电极针是金属管的情况下，基盘是不开孔的光滑的 金属平板，曝气气体是通过针管电极进入到反应器的。
线-板式电极结构，放电电极是曲率小的金属线，低压电极是接地的金属板，放电电极 平行于低压电极。
线-筒式电极结构，放电电极是曲率小的金属线，低压电极是和放电电极线同轴的金属 筒，低压电极接地。
螺旋环线-筒式电极结构，放电电极是螺旋环线，是利用曲率小的金属线绕成螺旋形状 ，低压电极是和螺旋环线同轴的金属筒，低压电极接地。
在电极制作过程中，将半导体催化剂附着在电极表面，制作成具有光催化功能的电极形 态，更好的发挥光催化作用和提高光的利用效率。
半导体催化剂：半导体催化剂可以制备成粉体、付着在载体上，和放电电极的表面上， 要求是对200-400nm光响应效果好的催化剂单体，或惨杂一些金属离子，使放电产生的其它 区域的光也能够发挥作用，使催化剂具有高效和广普性。
曝气系统：在反应器底部安装曝气头，使气液均匀的分布于反应器中，实现气、液、固 三相存在的优化放电等离子体状态。气泵提供恒压稳定的气体。
催化剂附着在颗粒性载体上，构成床式结构反应器，或附着电极表面的反应器，用来脱 除气体中的有机废气，净化室内空气和化工厂排出的废气。
脉冲高压电源：由于脉冲放电形成的等离子体是属于低温非平衡等离子体，即等离子体 中电子平均温度为5-20ev，离子温度低。而等离子体的整体温度很低，接近室温。因此，脉 冲放电原理的反应器要求电源产生的电压必须是纳秒级窄脉冲高压电源，即电压的示波器图 形是电压上升时间是10-7秒数量级，脉冲宽度是10-6秒数量级的单极性或双极性的波形。
水循环系统：包括水泵和管路等，将反应器、废水单元和排水单元连接在一起。被处理 的有机废水或有机废气从反应器上端或反应器下端进入反应器内部，从反应器下端或反应器 上端流出反应器。有机废水连续地通过反应器，也可以间歇的通过反应器。采用连续式时， 废水是通过水泵进行循环处理，直至达到处理要求，再外排。而采用间歇式情况，废水通过 水泵注入反应器进行处理，达到处理要求后外排。
另外，为了使反应器保持恒温，可以在反应器外侧增加一套冷却装置。并且，配备一些 附属设施，如阀门、储水箱等。
通过放电的流光和火花诱导半导体催化剂活性，产生活性基团，氧化废水中难生化处理 的有机物，并且，发挥电场阻止电子与空穴复合，和等离子体降解有机物的协同效果，使这 些有机物转化成水、二氧化碳、无机盐等。或生成可生化处理的有机物，再经过生化等方法 进行处理，最终矿化为水、二氧化碳、无机盐等。还能够直接对有机废水进行处理。也可以 和其它方法结合，作为中间或深度处理的工艺过程。
本发明的有益效果和益处是，采用脉冲放电产生的流光和火花作为光源，直接和催化剂 作用，光源效率高，并发挥电场和等离子体等优势作用，对废水处理效率高，尤其是对含有 难生化或持久性有机物的废水和印染废水处理效果好。并且，利用本方法可以处理气体中的 有机废气。