一种介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的方法及装置

摘要

本发明公开一种介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的方法及装置，将待处理废水输送至位于高压电极与接地极之间的放电反应区并使其均匀分布在放电反应区，同时向所述的放电反应区通入空气，并打开电源，在所述的放电反应区进行介质阻挡放电，产生低温等离子体对放电反应区的废水进行处理，然后将放电反应区的废水导入催化臭氧反应区，在催化剂的作用下充分利用放电等离子体产生的臭氧，经过催化臭氧氧化后的废水收集后经出水管排出。整个方法和装置充分利用了放电等离子体产生的臭氧，在水处理领域，具有性能稳定高效、无二次污染、速度快、结构简单、实用性强等优点，具有较好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于低温等离子体的应用技术领域，具体涉及到一种介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的方法及装置。

背景技术

水是生命之源，在人类的生产发展中起着重要的作用。我国人口多，人均淡水资源短缺，随着经济的高速发展和城市化进程的加速，我国日趋严重的水环境污染问题日益凸显，使得我们面临的水资源短缺形势变得更加严峻。因此，废水的有效处理是缓解我国水资源短缺的重要途径。然而，随着时代发展，化学用品的大量生产和使用，众多难降解有毒污染物排入水体。这些物质在水中不断富集，严重危害生态环境和人体健康。传统的废水处理工艺很难满足日益复杂的水质处理要求，开展难降解废水处理的新技术已成为当前水污染处理的新热点。

等离子体技术是近年来环境污染控制领域的研究热点，吸引了众多学者的关注。等离子体是不同于固、液、气3种物质存在状态的第4种物质存在状态，其中含有离子、电子、激发态原子和分子、自由基等。作为一种高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes，简称AOPs)，等离子体水处理技术的核心原理是利用高压放电产生的活性自由基(·O、·H、·OH、·HO₂等)和强氧化性分子(O₃、H₂O₂等)，以及紫外光等作用降解水中有机物。它集自由基氧化、紫外光解、高温热解、液电空化降解以及超临界水氧化等多种氧化技术于一体。

目前，等离子体技术在水处理领域的应用还存在一些问题，比如采用水中直接放电能耗高且不稳定，采用气液放电活性基团的利用率低；单一的放电等离子体水处理，放电间隙小，处理规模大大受限；此外等离子体产生的O₃利用率低，易造成二次污染。

浮石是一种多孔、轻质的玻璃质酸性火山喷出岩，储量丰富，其特点是质量轻、强度高、耐酸碱、抗腐蚀，且无污染、无放射性等，是理想的天然材料。目前，国内外关于浮石在水处理中的应用研究主要集中在吸附与光催化剂制备方面。哈尔滨工业大学陈忠林教授课题组利用浮石催化臭氧氧化处理难降解有机污染物，证实浮石能显著提高水中臭氧的分解速率，并生成羟基自由基。

因此，利用浮石作为臭氧催化剂协同放电等离子体能够充分利用放电等离子体产生的O₃，对于提高放电等离子体的效率和减少O₃二次污染具有重要意义，为放电等离子体在水 处理领域的工业应用提供现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题提供一种介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的方法，该方法利用浮石高效催化臭氧氧化的特性，充分放电等离子体产生的臭氧，提高废水的处理效果，避免O₃的二次污染。

本发明的另一目的在于提供一种介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的装置，该装置采用双介质阻挡放电稳定，同时增设有催化臭氧反应区，增大处理规模，该装置集放电等离子体处理，催化臭氧氧化，穿孔玻璃板过滤于一体，具有性能稳定，效果好，运行简单等优点，具有良好的应用前景。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的方法，将待处理废水输送至位于高压电极与接地极之间的放电反应区并使其均匀分布在放电反应区，同时向所述的放电反应区通入空气，并打开电源，在所述的放电反应区进行介质阻挡放电，产生低温等离子体对放电反应区的废水进行处理，然后将放电反应区的废水导入催化臭氧反应区，在催化剂的作用下充分利用放电等离子体产生的臭氧，经过催化臭氧氧化后的废水收集后经出水管排出。

所述的高压电极与接地极之间间距2～10cm；所述的高压电极与接地极为金属导电材质。

所述的废水进入放电反应区由布水器进行均匀布水；催化臭氧氧化后的废水升流通过过滤板，截留催化剂；催化臭氧氧化后的废水由集水槽收集并经出水管排出。

所述的催化剂为浮石；所述的催化臭氧氧化的臭氧由介质阻挡放电等离子体产生，作为优化可增大空气流量，提高O₃浓度；所述浮石粒径优选为0.5～1mm。

一种介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的装置，它包括反应容器、接地极和连接电源的高压电极，所述的反应容器内包括放电反应区、催化臭氧氧化反应区和上清液区，所述的放电反应区是位于高压电极和接地极之间的封闭区域，所述的放电反应区分别连通进气管和进水管，所述的放电反应区通过导流管连通所述的催化臭氧氧化反应区，所述的催化臭氧氧化反应区和上清液区通过过滤板隔开；所述高压电极和接地极中至少一个电极的表面上覆盖有阻挡介质；作为一种优选技术方案，所述高压电极和接地极的表面上均覆盖有阻挡介质。

作为一种优选技术方案，所述的放电反应区是由底部设置有接地极的桶状等离子体反应容器和封堵在所述桶状等离子体反应容器开口处的高压电极围成的封闭区域。

作为一种优选技术方案，所述的催化臭氧氧化反应区是位于所述桶状催化臭氧氧化反应容器和桶状等离子体反应容器之间的环形槽，所述的桶状等离子体反应容器套设在所述桶状催化臭氧氧化反应容器内，所述桶状等离子体反应容器的桶壁上设有至少一个导流管用于连通所述催化臭氧氧化反应区和放电反应区；所述桶状催化臭氧氧化反应容器的桶壁高于所述桶状等离子体反应容器的桶壁，所述环形槽的上端设有环形过滤板，所述环形过滤板的上方为上清液区。

作为一种优选技术方案，所述桶状催化臭氧氧化反应容器上部的外桶壁上设有环形集水槽，所述环形集水槽的槽壁上设有出水管；进一步优选，所述的出水管与所述的进水管通过循环泵相连通。作为一种优选技术方案，所述环形集水槽的槽壁高于所述桶状催化臭氧氧化反应容器的桶壁，所述环形集水槽的上端设有盖板，所述的盖板上设有出气口，必要时该出气口安装引风机。

进一步优选，所述导流管为2～10个，呈水平环形均匀分布在所述桶状等离子体反应容器的桶壁上，所述导流管的管口朝下且与液面呈45～60°倾角，以便气流搅动反应区催化剂，起到曝气搅拌作用。本发明中所述导流管的高度是位于桶状等离子体反应容器中间的桶壁上，但不限于该高度。

进一步优选，所述进水管的出水端安装有布水器；更进一步优选，所述进气管在本发明中为单一进气口，但不排除根据实际需要在其气体出口端安装阵列式曝气装置；该进气管必要时可以外接外接鼓风装置。

进一步优选，所述的过滤板为穿孔玻璃，本发明中所述穿孔玻璃板的孔径为0.5mm但不限于此，所述穿孔玻璃板的孔径可根据催化剂的粒径进行调整，以便截留催化剂颗粒；所述的孔呈辐射状均匀分布，本发明中呈辐射状均匀分布的内侧环和直径上孔心间距为1.5mm，但不限于此；

作为一种优选技术方案，所述高压电极和接地极之间的间距为2～10cm，进一步优选为5cm；所述的高压电极与接地极为金属导电材质。

作为一种优选技术方案，其所述接地极的表面为曲面，使布水器出水均匀向四周扩散，且增大电极曲率，降低放电功率。

所述的阻挡介质的材质为玻璃(石英玻璃或钢化玻璃)。所述桶状催化臭氧氧化反应容器的材质为玻璃(石英玻璃或钢化玻璃)或不锈钢；所述桶状等离子体反应容器的材质为玻 璃(石英玻璃或钢化玻璃)。所述的电源为高频高压交流电源。

本发明方法的有益效果体现在：

(1)利用浮石高效催化臭氧氧化的特性，充分放电等离子体产生的臭氧，提高废水的处理效果，避免O₃的二次污染。

(2)臭氧来源于放电等离子体产生，实现了放电等离子体处理与催化臭氧氧化的耦合。

(3)浮石具有较高的比表面积吸附性能好，具有进一步负载其他高效催化剂的应用价值。同时，浮石作为一种天然矿石，具有来源广泛、价格便宜、实用性强等优点。

(4)采用穿孔玻璃板可以有效地截留浮石颗粒，提高出水水质，实现浮石循环利用。

(5)本发明以介质阻挡放电等离子体处理为主，辅助催化臭氧氧化，为实现放电等离子体进行大规模水处理提供可能。

本发明装置的有益效果体现在：

(1)采用双介质阻挡放电，有效保护了电极。

(2)进水采用布水器，出水采用环形集水槽，优化了水力分布。

(3)接地极呈曲面形状，增大电极曲率，降低放电功率，提高能量利用率。

(4)设置穿孔玻璃板，可以有效地截留浮石颗粒，提高出水水质。

(5)本发明装置运行稳定，方便管理，具有快速、安全、高效等优点，易于集成，在水处理领域具有较高的应用前景。

附图说明

图1介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的装置结构图

图2穿孔玻璃板俯视图

其中，1—高频高压交流电源，2—接地极，3—高压电极，4—进气口，5—出气口，6—进水管，7—出水管，8—阻挡介质，9—浮石，10—导流管，11—布水器，12—穿孔玻璃板，13—高压电极接入管，14—环形集水槽，15—盖板，16—固定支架，17—循环泵，18—桶状等离子体反应容器，19—桶状催化臭氧氧化反应容器，20—环形槽，21—上清液区

具体实施方式

以下结合附图对该发明的实施过程进行解释和分析：

如图1和2所示，一种介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的装置，它包括反应容器、接地极2和连接高频高压交流电源1的高压电极3，所述的反应 容器内包括放电反应区、催化臭氧氧化反应区和上清液区21，所述的放电反应区是位于高压电极3和接地极2之间的封闭区域，所述的放电反应区分别连通进气管4和进水管6，所述进水管6的出水端安装有布水器11，所述的放电反应区通过导流管10连通所述的催化臭氧氧化反应区，所述的催化臭氧氧化反应区和上清液区通过穿孔玻璃板12隔开；所述高压电极3和接地极2的表面上覆盖有阻挡介质8。

作为一种优选技术方案，所述的放电反应区是由底部设置有接地极2的桶状等离子体反应容器18和封堵在所述桶状等离子体反应容器18开口处的高压电极3围成的封闭区域。

所述的催化臭氧氧化反应区是位于所述桶状催化臭氧氧化反应容器19和桶状等离子体反应容器18之间的环形槽20，所述的桶状等离子体反应容器18套设在所述桶状催化臭氧氧化反应容器19内，所述桶状等离子体反应容器18的桶壁上呈水平环形均匀设有4个导流管10用于连通所述催化臭氧氧化反应区和放电反应区；所述桶状催化臭氧氧化反应容器19的桶壁高于所述桶状等离子体反应容器18的桶壁，所述环形槽20的上端设有环形的穿孔玻璃板12，所述穿孔玻璃板12的上方为上清液区21。

所述桶状催化臭氧氧化反应容器19上部的外桶壁上设有环形集水槽14，所述环形集水槽14的槽壁上设有出水管7；所述的出水管7与所述的进水管6通过循环泵17相连通。所述环形集水槽14的槽壁高于所述桶状催化臭氧氧化反应容器19的桶壁，所述环形集水槽14的上端设有盖板15，所述的盖板15上设有出气口5，必要时该出气口5上安装引风机。

进一步优选，所述导流管10的管口朝下且与液面呈45～60°倾角，以便气流搅动反应区催化剂，起到曝气搅拌作用。本发明中所述导流管10的高度是位于桶状等离子体反应容器中间的桶壁上，但不限于该高度。

所述进气管4在本发明中为单一进气口，但不排除根据实际需要在其气体出口端安装阵列式曝气装置。

所述穿孔玻璃板12的孔径为0.5mm但不限于此，所述穿孔玻璃板12的孔径可根据催化剂的粒径进行调整，以便截留催化剂颗粒；所述的孔呈辐射状均匀分布，本发明中呈辐射状均匀分布的内侧环和直径上孔心间距为1.5mm，但不限于此；所述的催化剂为浮石9；所述浮石9粒径优选为0.5～1mm。

作为一种优选技术方案，所述高压电极和接地极之间的间距为5cm，所述的高压电极与接地极为金属导电材质。

作为一种优选技术方案，其所述接地极2的表面为曲面，使布水器11出水均匀向四周扩散，且增大电极曲率，降低放电功率。

所述的阻挡介质8的材质为玻璃(石英玻璃或钢化玻璃)。所述桶状催化臭氧氧化反应容器19的材质为玻璃(石英玻璃或钢化玻璃)或不锈钢；所述桶状等离子体反应容器18的材质为玻璃(石英玻璃或钢化玻璃)。

所述的反应容器安装在固定支架16上。所述的高压电极3通过高压电极接入管13连接所述高频高压交流电源1的正极。

采用上述介质阻挡放电等离子体协同浮石催化臭氧氧化处理有毒有机废水的装置处理废水时，具体使用过程：通过循环泵17将待处理废水输送至位于高压电极3与接地极2之间的放电反应区，并由进气口4向所述的放电反应区通入空气，废水由进水管6进入并通过布水器11均匀布设在放电反应区，打开高频高压交流电源1，在所述的放电反应区进行介质阻挡放电，产生低温等离子体对放电反应区的废水进行处理。同时当放电反应区的液面到达导流管10的高度，放电反应区的低温等离子体和废水经导流管10进入催化臭氧反应区，由于气体的曝气使催化臭氧反应区的废水充分搅动，在浮石9的作用下充分利用放电等离子体产生的臭氧，经过催化臭氧氧化后的废水升流通过穿孔玻璃板12，截留浮石9，处理后的废水由环形集水槽14收集通过出水管7排出。反应产生的尾气通过排气口5导出。

废水通过布水器11进入放电放应区后，在高频高压等离子电源1放电过程中，通入的空气会被大量电离，并形成大量的高能电子、活性自由基(·O、·H、·OH等)和强氧化性分子(O₃、H₂O₂等)，同时伴随着强烈的紫外光产生。放电等离子体产生的这些活性物质作用于废水，将废水中的难降解有机污染物氧化降解为低毒小分子，甚至直接矿化为CO₂和H₂O。而且，高压放电产生的活性物质及紫外光可以对废水进行灭菌解毒。放电等离子体产生活性物质(尤其是O₃)由导流管10进入催化臭氧氧化区，在浮石9的作用下，充分利用放电等离子产生的O₃，提高废水的处理效果，避免O₃的二次污染，经过催化臭氧氧化后的废水升流通过穿孔玻璃板12，截留浮石9。

反应中的高压高频交流电源1和循环泵17，以及进气口4的进气量均可调，可以根据出水水质灵活调整，同时也可以根据尾水的出水水质来进行循环多次处理，从而形成了集等离子体、臭氧催化、吸附等一系列的物理化学反应为一体，从而可以有效的对水体中的污染物进行去除，达到净化的目的。

该处理装置具有操作简单、去除污染物效率高、设备投资小、处理成本低、可连续催化、适用范围广、快速、高效、无二次污染等优点，尤其是对难降解的有机污染物及有特殊处理要求的污染物效果较为显著，具有可观的潜在应用前景，有望在今后的水体污染处理工艺中得到广泛的推广和运用。