專利名稱：一種用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于廢水處理的裝置，尤其涉及一種采用脈沖射頻激發(fā)的、 電極懸吊于水中的、容性耦合等離子體放電的廢水處理裝置。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，我國(guó)有限的淡水資源正日益受到來(lái)自 工業(yè)廢水和生活污水不斷污染的威脅。低成本高效地實(shí)現(xiàn)廢水處理是擺在人們面前的一個(gè) 需要迫切解決的問(wèn)題。氧化處理技術(shù)是污水處理的一個(gè)重要方法，常規(guī)的氧化技術(shù)是基于強(qiáng)氧化劑的基 礎(chǔ)之上的，但不可避免地帶來(lái)氧化劑的二次污染；另外一種水處理的氧化技術(shù)則被稱為高 級(jí)氧化技術(shù)，主要包括臭氧、紫外光或電子束/離子束輻照、光催化等處理方式。但是，隨著 污染狀況的日益嚴(yán)重，原有的高級(jí)氧化技術(shù)亦不能滿足要求，因此需要在原有高級(jí)氧化技 術(shù)的基礎(chǔ)之上尋找新的氧化技術(shù)。水下等離子體放電高級(jí)氧化技術(shù)作為一種新興的高級(jí)氧 化技術(shù)逐漸進(jìn)入了人們的視線。等離子體是一種多粒子、多自由度、弱相互作用的復(fù)雜電、磁流體，由各種帶電粒 子、中性基團(tuán)、原子、分子和不同波長(zhǎng)光子等所組成的物質(zhì)第四態(tài)。一般可以分為低溫等離 子體和熱等離子體如果用Te和Ti分別來(lái)表示等離子體中的電子溫度和離子溫度，當(dāng)體系 中Te》Ti時(shí)，其電子溫度高達(dá)IO4 K以上，而離子和原子之類(lèi)的重粒子溫度為30(Γ500Κ，此 時(shí)的等離子體稱為低溫等離子體；當(dāng)體系中Te Ti時(shí)，稱為平衡等離子體，此時(shí)整個(gè)體系溫 度約為IO3-IO4K,此時(shí)的等離子體稱為熱等離子體。其中電子和離子是兩個(gè)重要的能量載 體，大范圍的電子和離子能量分布以及高度活性的激發(fā)態(tài)粒子使得等離子體具備了超化學(xué) 能力，從而引發(fā)常規(guī)化學(xué)反應(yīng)中不能或難以實(shí)現(xiàn)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)。這些特點(diǎn)決定了 等離子體在諸多領(lǐng)域，如薄膜生長(zhǎng)、基片刻蝕、材料表面改性、生物表面修飾、細(xì)胞分離、滅 菌、空氣凈化以及等離子體隱身等，具有廣泛應(yīng)用。目前人們較為廣泛研究和使用的是高壓脈沖水下放電反應(yīng)系統(tǒng)。利用高壓直流電 源和旋轉(zhuǎn)火花塞以及脈沖電容、濾波電容形成高壓脈沖結(jié)合針狀電極產(chǎn)生絲狀流光放電。 伴隨著放電等離子體的出現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生一系列的物理與化學(xué)變化，形成強(qiáng)紫外線、沖擊波以 及_ΟΗ、_ο、_Η、Η2Ο2、Ο3等一些活性基團(tuán)與物質(zhì)。這些使得水下放電無(wú)需額外的輔助就可以實(shí) 現(xiàn)對(duì)廢水的凈化與處理。但是上述反應(yīng)器難以形成大體積的放電，無(wú)法滿足大范圍和快速的污水處理要 求。此外，由于強(qiáng)高壓導(dǎo)致的電磁輻射，難免會(huì)干擾周?chē)渌O(shè)備的正常運(yùn)行，因此，對(duì)反應(yīng) 器的屏蔽也提出了相應(yīng)的要求。如何在降低工作電壓的同時(shí)又不影響廢水處理效率，以及 如何提高操作安全度及增強(qiáng)反應(yīng)器的可移植性是水下等離子體反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，以降低等離子體放電裝置的工作電壓，減弱放電裝置對(duì)周?chē)h(huán)境的電磁污染，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢 水的有效降解。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種用于廢水處理的水下脈沖 射頻等離子體放電裝置，包括集水池、功率電極、接地電極、匹配裝置和電源，所述功率電極 和接地電極的至少一部分浸入集水池內(nèi)的水中，所述電源為脈沖射頻電源，所述匹配裝置 包括兩個(gè)可調(diào)電容和一個(gè)定值電感，用于調(diào)制整個(gè)匹配回路的功率耦合效率，其中一個(gè)可 調(diào)電容連接于脈沖射頻電源的脈沖輸出端與接地端之間，定值電感和另一個(gè)可調(diào)電容串聯(lián) 于脈沖射頻電源的脈沖輸出端與功率電極之間。上文中，功率電極與液體的接觸區(qū)形成了等離子體的激發(fā)區(qū)域。使用時(shí)，開(kāi)啟具有 一定射頻頻率的脈沖射頻電源，設(shè)置合適的脈沖頻率和占空比參數(shù)，由脈沖波形對(duì)射頻信 號(hào)進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)可調(diào)電容的大小到一個(gè)合適的范圍，脈沖射頻功率將經(jīng)由匹配 裝置最大限度地耦合到反應(yīng)器中的功率電極上。利用脈沖射頻場(chǎng)對(duì)溶液進(jìn)行瞬間加熱蒸發(fā) 在電極表面形成局部的低密度氣泡或氣層區(qū)域，脈沖射頻場(chǎng)在該區(qū)域擊穿氣體，從而激發(fā) 產(chǎn)生脈沖射頻等離子體。伴隨著放電等離子體的出現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，如形 成強(qiáng)紫外線、沖擊波以及0H、0、H、H2O2, O3等活性基團(tuán)與物質(zhì)，這些物理與化學(xué)變化能夠有 效地協(xié)同降解有機(jī)廢水。上述技術(shù)方案中，所述功率電極外套設(shè)有一個(gè)內(nèi)徑1. Imm 5. Imm的石英管，功率 電極末端與石英管口保持齊平或內(nèi)縮于石英管口 0 0. 5mm的范圍。該結(jié)構(gòu)可以減少電極 與液體的接觸面積，從而利于在電極末端形成強(qiáng)電場(chǎng)，并擊穿氣體激發(fā)產(chǎn)生形成等離子體。上述技術(shù)方案中，所述功率電極與套設(shè)在功率電極外的石英管采用懸吊結(jié)構(gòu)定 位，下端直接浸入待處理廢水中。因而，本裝置無(wú)需額外的反應(yīng)器固定裝置，一方面，大大降 低射頻加熱能耗，另一方面，大大增強(qiáng)了裝置的可操作性，也易于調(diào)節(jié)功率電極浸入待處理 廢水的深度。上述技術(shù)方案中，所述集水池設(shè)于一電磁屏蔽箱內(nèi)。優(yōu)選的技術(shù)方案，所述集水池上設(shè)有與電磁屏蔽箱外的水體連通的進(jìn)水口和出水 口，所述進(jìn)水口和出水口設(shè)于功率電極和接地電極間產(chǎn)生的等離子放電區(qū)的相對(duì)的兩側(cè)。 采用這種方案，可以對(duì)廢水進(jìn)行連續(xù)處理，提高處理效率，特別適合于大范圍和快速的污水處理。進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述集水池的底部設(shè)有磁力攪拌器?？梢允狗烹姰a(chǎn)生的基團(tuán) 與溶液更加均勻地反應(yīng)。上述技術(shù)方案中，所述的脈沖射頻電源的脈沖頻率和占空比均可調(diào)節(jié)，脈沖頻率 的變化范圍在200Hz ΙΟΟΚΗζ，占空比的變化范圍在5% 90%。所述脈沖射頻電源產(chǎn)生的射頻激發(fā)頻率在IOMHz 60 MHz之間。采用不同電感量的感性元件，通過(guò)改變可調(diào)電容的調(diào)節(jié)范圍，使得匹配網(wǎng)絡(luò)的諧 振頻率與射頻頻率相等，可以有效激發(fā)產(chǎn)生相應(yīng)的水下脈沖射頻等離子體。優(yōu)選的技術(shù)方 案是IOKHz的脈沖頻率，占空比為30%，射頻激發(fā)頻率為27. 12MHz。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1.與現(xiàn)有的高壓脈沖激發(fā)水下放電系統(tǒng)相比，本發(fā)明采用脈沖射頻方式在水下 激發(fā)產(chǎn)生等離子體，可以通過(guò)并聯(lián)電極方式獲得較大面積的水下等離子體，具備較高的等離子體密度、等離子體溫度以及較高濃度活性基團(tuán)與活性物質(zhì)濃度，可以快速地處理大體 積的廢水；同時(shí)，脈沖射頻水下放電模式相比于高壓脈沖水下放電所需的上萬(wàn)伏的電壓而 言具有較低的激發(fā)電壓(約2KV左右)，因而，在環(huán)境中的電磁污染可以通過(guò)電磁屏蔽幾乎全 部消除。2.本實(shí)用新型可以采用功率電極懸吊方式，與現(xiàn)有脈沖高壓放電技術(shù)中的水下 電極放置方式相比，一方面，本發(fā)明中可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)浸沒(méi)在溶液中電極的深度，使 得電極表面瞬間溫升，在電極表面產(chǎn)生氣泡或氣層，有利于能源消耗的降低；另一方面懸吊 方式的射頻電極省略了反應(yīng)器中的固定支架，大大增強(qiáng)了反應(yīng)裝置的可移植性。3.與連續(xù)的射頻水下放電而言，水下脈沖射頻放電具有更高的降解率。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實(shí)施例二中剛果紅溶液降解前和脈沖射頻與連續(xù)射頻水下放電10分鐘放 電對(duì)剛果紅降解后的紫外可見(jiàn)光譜曲線。圖3是實(shí)施例二中脈沖和連續(xù)條件下射頻水下放電時(shí)剛果紅溶液降解率隨時(shí)間 的變化情況。圖4是脈沖射頻信號(hào)示意圖。其中1、脈沖射頻電源；2、可調(diào)電容；3、定值電感；4、可調(diào)電容；5、功率電極；6、 石英管；7、接地電極；8、集水池；9、觀察窗口 ；10、屏蔽箱；11、磁力攪拌器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見(jiàn)附圖1，其中等離子體反應(yīng)器包括一個(gè)敞口玻璃容器作為集水池 8，鎢制的功率電極5，套在鎢制電極外層的石英管6，用以降低鎢電極與溶液的接觸面積， 以及金屬接地電極7，為使水下射頻放電產(chǎn)生的活性基團(tuán)能充分與有機(jī)物發(fā)生降解反應(yīng)，在 容器底部設(shè)置了一個(gè)磁力攪拌器11。在一個(gè)較佳的實(shí)施案例中，敞口玻璃容器為柱狀，直 徑為100mm，功率電極直徑為1.0mm，功率電極在反應(yīng)器正中央，接地電極在反應(yīng)器邊緣處， 功率電極進(jìn)入液面下方5mm，脈沖頻率為30KHz，占空比為50%，射頻激發(fā)頻率為13. 56MHz。 通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)可調(diào)電容2和4的大小，使得整個(gè)LC振蕩回路的振蕩頻率與射頻激發(fā)頻率相 等，以保證射頻電極可以最大限度的吸收射頻功率。本實(shí)施例的水下放電等離子體反應(yīng)器的工作原理如下，在反應(yīng)容器中注入適量有 機(jī)染料溶液作為待處理廢水，輸入射頻功率后，液體在脈沖射頻場(chǎng)的作用下首先被瞬間加 熱蒸發(fā)，在電極表面產(chǎn)生氣泡或氣層，形成局部的低分子密度區(qū)域，并在該區(qū)域首先形成激 發(fā)產(chǎn)生等離子體，同時(shí)生成大量的自由電子和熱量以維持等離子體。伴隨著等離子體的出 現(xiàn)，會(huì)形成大量的活性基團(tuán)與活性物質(zhì)，如0H、0、H、H2O2, O3等，在無(wú)需任何外界輔助條件下 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)廢水的降解。實(shí)施例二 設(shè)定脈沖射頻電源的參數(shù)如下，脈沖頻率為ΙΟΟΚΗζ，占空比為30%、射 頻頻率為13. 56MHz，在水下激發(fā)產(chǎn)生等離子體，并設(shè)定射頻凈輸入功率為100W，典型的脈 沖射頻信號(hào)如圖2和圖3所示。150mL的剛果紅溶液濃度為20mg/L，經(jīng)過(guò)10分鐘的水下放電降解后，剛果紅溶液經(jīng)過(guò)紫外可見(jiàn)光譜的測(cè)定可發(fā)現(xiàn)其降解率約為81. 8%，高于同等條件 下連續(xù)(不施加脈沖)射頻水下放電的效果。圖2所示的是剛果紅溶液降解前和脈沖射頻與 連續(xù)射頻水下放電10分鐘放電對(duì)剛果紅降解后的紫外可見(jiàn)光譜曲線，圖3是脈沖和連續(xù)條 件下射頻水下放電是剛果紅溶液降解率隨時(shí)間的變化情況。圖4是射頻頻率13. 56MHz，脈沖頻率IOKHz，占空比30%的脈沖射頻信號(hào)示意圖。實(shí)施例三設(shè)定脈沖射頻電源的參數(shù)如下脈沖頻率為ΙΟΚΗζ，占空比為30%，射頻 激發(fā)頻率為27. 12MHz，設(shè)定射頻凈輸入功率為100W。150mL的剛果紅溶液濃度為20mg/L， 經(jīng)過(guò)10分鐘的水下放電降解后，剛果紅溶液經(jīng)過(guò)紫外可見(jiàn)光譜的測(cè)定可發(fā)現(xiàn)其降解率為 86. 1%，高出同等條件下脈沖13. 56MHz的射頻水下放電的效果約10%。實(shí)施例四采用實(shí)施例一的裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。表1.不同占空比下13. 56MHz射頻激發(fā)水下等離子體放電的剛果紅溶液的降解 率。脈沖調(diào)制頻率為20KHz，剛果紅溶液的體積為150mL，剛果紅溶液的濃度20mg/L，脈沖射 頻凈輸入功率為100W，處理時(shí)間為10分鐘。
權(quán)利要求1.一種用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，包括集水池、功率電極、接 地電極、匹配裝置和電源，所述功率電極和接地電極的至少一部分浸入集水池內(nèi)的水中，其 特征在于所述電源為脈沖射頻電源，所述匹配裝置包括兩個(gè)可調(diào)電容和一個(gè)定值電感，用 于調(diào)制整個(gè)匹配回路的功率耦合效率，其中一個(gè)可調(diào)電容連接于脈沖射頻電源的脈沖輸出 端與接地端之間，定值電感和另一個(gè)可調(diào)電容串聯(lián)于脈沖射頻電源的脈沖輸出端與功率電 極之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，其特征 在于所述功率電極外套設(shè)有一個(gè)內(nèi)徑1. Imm 5. Imm的石英管，功率電極末端與石英管口 保持齊平或內(nèi)縮于石英管口 0 0. 5mm的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，其特征 在于所述功率電極與套設(shè)在功率電極外的石英管采用懸吊結(jié)構(gòu)定位，下端直接浸入待處 理廢水中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，其特征 在于所述集水池設(shè)于一電磁屏蔽箱內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，其特征 在于所述集水池上設(shè)有與電磁屏蔽箱外的水體連通的進(jìn)水口和出水口，所述進(jìn)水口和出 水口設(shè)于功率電極和接地電極間產(chǎn)生的等離子放電區(qū)的相對(duì)的兩側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，其特征 在于所述集水池的底部設(shè)有磁力攪拌器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，其特 征在于所述的脈沖射頻電源的脈沖頻率和占空比均可調(diào)節(jié)，脈沖頻率的變化范圍在 200Hz ΙΟΟΚΗζ，占空比的變化范圍在5% 90%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，其特征 在于所述脈沖射頻電源的射頻激發(fā)頻率在IOMHz 60 MHz之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，其特征 在于脈沖頻率為IOKHz，占空比為30%，射頻激發(fā)頻率為27. 12MHz。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于廢水處理的水下脈沖射頻等離子體放電裝置，包括集水池、功率電極、接地電極、匹配裝置和電源，所述功率電極和接地電極的至少一部分浸入集水池內(nèi)的水中，其特征在于所述電源為脈沖射頻電源，所述匹配裝置包括兩個(gè)可調(diào)電容和一個(gè)定值電感，用于調(diào)制整個(gè)匹配回路的功率耦合效率，其中一個(gè)可調(diào)電容連接于脈沖射頻電源的脈沖輸出端與接地端之間，定值電感和另一個(gè)可調(diào)電容串聯(lián)于脈沖射頻電源的脈沖輸出端與功率電極之間。本實(shí)用新型通過(guò)水下脈沖射頻等離子體放電，能對(duì)大部分有機(jī)污染物進(jìn)行有效降解，并可有效減少電磁污染，提高降解率。
文檔編號(hào)C02F1/72GK201923870SQ201020672259
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者吉亮亮, 辛煜 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)