一种高效率的激光空化降解废水装置及方法

摘要

本发明涉及一种高效率的激光空化降解废水装置及方法，包括激光空化系统、辅助降解系统、控制与检测系统。激光空化系统由激光器、全反镜、二维扫描振镜、空间光调制器、空化仓、工作台、三维移动平台组成。辅助降解系统由碳量子点纳米催化协调降解，作用于空化仓内辅助激光空化过程，合成绿色纳米催化剂，加速污染物降解速率。控制与检测系统由控制中心、控制器、水质检测器、温度传感器、数据处理器组成。本发明利用百焦耳级多维参数可调激光器、空间光调制器生成多焦点阵列、二维振镜实现激光高速扫描和纳米催化协调降解几种方式结合，大幅提高污水降解速率。

说明书

技术领域

本发明属于水污染降解技术领域，特指一种高效率的激光空化降解废水装置及方法。

背景技术

目前，利用将激光空化原理来降解污水以实现污水处理的方法正在逐步发展，激光空化相对于水力空化，具有可操作性，降解更充分等优点。当前的激光装置多以扩束聚集装置将激光束汇聚于一点入射至空化仓中液体进行诱导空泡，仅能在液体中一条直线上产生空泡且降解效率有待提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率的激光空化降解废水装置及方法,使激光空化降解废水的过程中辅以纳米催化协调降解，极大的提高激光空化的降解效率。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：一种高效率的激光空化降解废水装置，包括三维移动平台，所述三维移动平台上固定有工作台，所述工作台上安装有空化仓，所述空化仓上方安装有激光器，所述激光器发出的光束依次通过全反镜、二维扫描振镜和空间光调制器后聚焦到所述空化仓内的工作池中，所述空化仓内的工作池中设置有碳量子点，所述空化仓一端安装进水管，另外一端安装出水管，所述进水管上安装有水泵，所述出水管上安装有水质检测器和控制阀。

上述方案中，所述空化仓附近安装有照明闪光灯、CCD和高速摄像机。

上述方案中，所述空化仓内的工作池中设置有温度传感器。

上述方案中，所述激光器通过激光控制器与控制中心连接，所述温度传感器通过数据处理器与控制中心连接，所述水质检测器通过控制器与控制中心连接，所述控制中心与所述照明闪光灯、所述CCD、所述高速摄像机、所述水泵、所述三维移动平台和所述控制阀连接。

上述方案中，所述激光器为百焦耳级多维参数可调重频激光器，激光能量达到100J。

本发明还提供了一种新型高效率的激光空化降解废水方法，包括以下步骤：S1：将空化仓固定于工作台上，打开水泵使废水经进水管流入空化仓，达到一定高度关闭水泵，加入碳量子点进入工作池内；S2：调整焦耳级多维参数可调激光器的参数，通过控制中心控制三维移动平台在X、Y和Z方向上移动，使空化仓处于激光束中央；S3：由控制中心与控制器通信，控制器打开水质传感器；同时打开高速摄像机、CCD、照明闪光灯和数据处理器，然后打开激光器；S4：通过温度传感器和数据处理器组成的温控系统来观察激光空化降解和碳量子点纳米催化协调降解时的温度情况，以便做出调整；同时观察高速摄像机、CCD、照明闪光灯组成的成像系统拍摄的激光诱导空泡脉动和溃灭过程，对冲击波、水射流的影像进行搜集，根据所得参数进行调节设备，进一步提高降解速率；S5：通过出水管处水质检测器对降解后的液体进行检测，若达到处理要求，通过控制器打开控制阀，使降解后的水流出；然后打开水泵，继续降解后面废水；若未达到处理要求，则保持当前状态继续工作。

本发明的有益效果：（1）本发明利用激光诱导空化方法降解废水中的有机污染物，主要技术原理为：激光聚集于水中，若激光能达到液体介质的击穿阈值，液体会被击穿产生等离子体，形成的等离子腔体会在激光能量的继续作用下，迅速膨胀变大，形成空化泡，并伴随着“膨胀-收缩-膨胀”这样的脉动过程,经过数次循环后，最终破灭。在溃灭时可以释放出大量的能量，导致的局部高温高压等极端环境，因而打断水分子的化学键产生具有强氧化作用的自由基，自由基进一步与有机物反应,降解废水中的有机污染物。（2）本发明首次提出采用百焦耳级多维参数可调激光器关键技术，大幅提高污水的降解速度。（3）本发明采用多焦点阵列和振镜扫描结合方式，空间光调制器生成多焦点阵列，二维振镜实现激光高速扫描，使降解效率大幅增加。（4）碳量子点纳米催化协调降解，合成绿色纳米催化剂，加速污染物的降解速率。（5）整套装置控制方法智能化，提高了降解的准确性与连续性；操作简单方便，避免了时间和人力的浪费。

附图说明

图1为本发明一种高效率的激光空化降解废水装置示意图。

图2为多焦点阵列示意图。

图中：1-激光控制器；2-激光器；3-激光束；4-全反镜；5-二维扫描振镜；6-空间光调制器；7-碳量子点；8-工作池；9-空化仓；10-水质检测器；11-控制阀；12-出水管；13-控制器；14-工作台；15-三维移动平台；16-水泵；17-进水管；18-高速摄像机；19-CCD；20-照明闪光灯；21-控制中心；22-数据处理器；23-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明装置作进一步详细说明。

如图1所示，一种高效率的激光空化降解废水装置，包括激光空化系统、辅助降解系统、控制与检测系统。所述激光空化系统由百焦耳多维参数可调激光器、全反镜、二维扫描振镜、空间光调制器、空化仓、工作台、三维移动平台等组成。所述激光空化系统中全反镜4与所述百焦耳级多维参数可调激光器2呈平面45度角放置且中心正对激光束，还与二维扫描振镜5、空间光调制器6的中心位于同一种直线上，所述激光控制器1通过控制所述百焦耳级多维参数可调激光器2将激光束3经全反镜反射至所述二维扫描振镜5实现激光高速扫描，经所述空间光调制器6生成多焦点入射至空化仓9中。所述激光器2为百焦耳级多维参数可调重频激光器，相比于以往的纳秒激光器，其激光能量可达到100J，是一般纳秒激光器的400-1000倍左右，其降解效率得到极大提高。所述空化仓9与进水管17和出水管12相连，所述进水管17上装有水泵16，所述出水管12上装有水质检测器10和控制阀11。所述进水管17由所述水泵16控制，将污水送入至所述空化仓9中，到达一定液面时关闭所述水泵16。所述移动平台是可以在X、Y、Z的移动方向上运行的三维移动平台，所述工作台14固定于三维移动平台15上，所述三维移动平台15分手动与自动两种调节方式；所述空化仓9放置于所述工作台14上，其内部有一层可拆卸黑色橡胶圈来载留激光能量。所述辅助降解系统由碳量子点纳米催化协调降解。所述控制与检测系统由控制中心、控制器、水质检测器、温度传感器、数据处理器组成。所述空化仓9的工作池8中放置有温度传感器23，所述温度传感器23与数据处理器22连接。所述辅助降解系统由碳量子点7纳米催化协调降解，作用于空化仓内辅助激光空化过程，合成绿色纳米催化剂，加速污染物降解速率。所述控制器13、三维移动平台15、高速摄像机18、CCD19、照明闪光灯20、数据处理器22均由控制中心21控制。所述控制器13控制所述出水管12上的所述水质检测器10判断水质降解程度，并通过所述控制器13操作所述控制阀11对所述出水管12进行出水与停止。

优选的，采用百焦耳级多维参数可调激光器关键技术，大幅提高污水的降解速度。

优选的，采用多焦点阵列和振镜扫描结合方式，空间光调制器生成多焦点阵列，二维振镜实现激光高速扫描，使降解效率大幅增加。

优选的，碳量子点纳米催化协调降解，合成绿色纳米催化剂，加速污染物的降解速率。

利用该装置加工操作时，包括如下步骤：S1：将空化仓9固定于工作台14上，打开水泵16使废水经进水管17流入空化仓9，达到一定高度关闭水泵16，加入碳量子点7进入工作池8内。S2：调整焦耳级多维参数可调激光器的参数，通过控制中心21控制三维移动平台15在X、Y和Z方向上移动，使空化仓9处于激光束中央。S3：由控制中心21与控制器13通信，控制器13打开水质传感器10；同时打开高速摄像机18、CCD19、照明闪光灯20和数据处理器22，然后打开激光器。S4：通过温度传感器23和数据处理器22组成的温控系统来观察激光空化降解和碳量子点纳米催化协调降解时的温度情况，以便做出调整；同时观察高速摄像机18、CCD19、照明闪光灯20组成的成像系统拍摄的激光诱导空泡脉动和溃灭过程，对冲击波、水射流的影像进行搜集，根据所得参数进行调节设备，进一步提高降解速率。S5：通过出水管12处水质检测器10对降解后的液体进行检测，若达到处理要求，通过控制器13打开控制阀11，使降解后的水流出；然后打开水泵16，继续降解后面废水；若未达到处理要求，则保持当前状态继续工作。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书内容等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。