一种非平衡态等离子体协同水力空化污水降解装置

摘要

本发明属于污水降解技术领域，尤其涉及一种非平衡态等离子体协同水力空化污水降解装置，包括管壳及固定在管壳内部的若干芯体，芯体包括针形电极、进气管、绝缘套管、芯体外壳及绝缘多孔介质环，芯体外壳包括位于头部的第一壳体及位于尾部的第二壳体，第一壳体设有第一锥面，第二壳体的内周壁包括第二锥面，绝缘多孔介质环套设在绝缘套管外部，针形电极安装在绝缘套管内部；本发明利用溶液作为等离子体放电的电极，将等离子产生装置与水利空化装置有效结合，使少量气体发生等离子体放电过程产生活性物质，利用水力空化过程将活性物质溶解入聚丙烯酰胺溶液，从而实现聚丙烯酰胺污水高效、无毒、低价降解。

说明书

技术领域

本发明属于污水降解技术领域，尤其涉及一种非平衡态等离子体协同水力空化污水降解装置。

背景技术

聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，总体呈线形，易溶于水，不仅可以用做絮凝剂，还具有降低粘度、净化等功能。在石油开采的过程中，聚丙烯酰胺可以降滤失、絮凝、防塌、降粘、堵漏,被用作驱替剂、压裂液添加剂等。聚丙烯酰胺在石油开采方面越来越广泛的使用，但是同时也产生了大量含有聚丙烯酰胺的含聚污水。这些含聚污水的危害主要包括：1、虽然最后的含聚丙烯酰胺废水粘度已经大幅度下降，但这样的废水距离排出标准仍然有很大的差距；2、聚丙烯酰胺使得胶体体系的空间稳定作用得以发挥，胶体的聚集稳定性更强，石油更难从采出水中析出，影响设备运行效率和污水处理效果；3、聚丙烯酰胺虽然本身并没有毒性，但是其自然降解会产生丙烯酰胺，而丙烯酰胺则会引起人和动物的神经性中毒。因此含聚污水的高效环保处理技术已经成为油田工程中亟需的关键技术。

现有含聚污水处理方法大致分为物理法、化学法及生物法。其中，物理法主要有重力沉降法、膜分离技术、电脱水、水力旋流、过滤、气浮、曝气等。这一类方法在提高油水分离效率上有较好作用，但是其作用机理无法处理聚丙烯酰胺，容易形成团聚堵塞，造成脱水成本高、运行效率低等问题。化学法主要采用各种破乳剂，提高油水分离效率，主要包括聚醚类、非聚醚类、复配型等多种破乳剂。各种破乳剂破乳处理是目前油田含聚污水处理技术中常用手段。但是含聚污水中聚合物含量过高时，需要增加破乳剂使用量，会显著提高处理成本。同时大量增加成分复杂的破乳剂会显著提高化学药剂的二次污染。生物法采用微生物的生化作用，降解含聚污水中的聚丙烯酰胺、油和有毒物质。该方法清洁、安全、无二次污染。但是微生物难以处理分子量几千到几万的大分子，同时反应速度过慢，对于高分子量聚丙烯酰胺处理效果较差。以上常用方法虽然较为成熟，但是仍然存在各种问题。此外超声波降解技术和微波降解技术也在发展中。但是目前普遍存在能耗较好，反应效率低等问题。因此开发新型高效的含聚采出液处理技术，成为重要的探索方向。

非平衡态等离子体通过气体放电产生大量活性基团，例如OH，O3等，无需添加化学药剂即可发生氧化反应，是非常有发展前景的污染物处理技术，已被用于多种污染物处理。目前所有的研究和技术专利中，大多集中于在溶液表面放电，这种方法产生的活性物质仍然主要存在于气体中，融入溶液的较少，因此处理效率非常有限。有部分研究为在溶液中放电，但是由于溶液分子密度极大，并且通常电导率较大，因此想实现稳定放电本身极其困难，能耗极高。目前尚无有效方法实现将等离子体活性物质快速溶于溶液的技术。

水力空化效应是指，在液体中出现局部压力小于当地饱和压力，液体内部或交界面上形成大量气泡或空穴，随着压力恢复气泡或空穴迅速溃灭，气泡周围会产生高温高压的过程。水力空化效应的高温高压会促使有机物的直接降解。目前大多数技术在研究如何设计更合理的通道结构，实现溶液快速压降，从而有利于空化效应的出现。但是该过程主要为物理变化过程，无法达到化学反应处理的高效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的聚丙烯酰胺污水降解装置存在的降解效率低、成本过高等问题，现提供一种非平衡态等离子体协同水力空化污水降解装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种非平衡态等离子体协同水力空化污水降解装置，包括管壳及固定在管壳内部的若干芯体，芯体位于管壳的中间部位；

所述芯体包括针形电极、进气管、绝缘套管、芯体外壳及绝缘多孔介质环，所述芯体外壳接地，芯体外壳包括位于头部的第一壳体及位于尾部的第二壳体，所述第一壳体设有第一锥面，所述第一锥面的半径自前往后逐渐增大，液体流经第一锥面时实现较小的压力降，有利于尾部产生空化过程，所述第二壳体沿其轴向开设有供绝缘套管安装的容置孔，绝缘套管一端开口且该端部固定在容置孔内，其端面与容置孔的孔底之间留有空间，绝缘套管另一端封堵；所述第二壳体的内周壁设有第二锥面，第二锥面位于第二壳体的尾部，所述第二锥面的半径自前往后逐渐增大，液体流经时产生强烈的压力降，低压空间形成空化区域，产生大量气泡，且起导引作用，引导绝缘套管内部流出的等离子体与空化区域混合。

所述绝缘多孔介质环套设在绝缘套管外部，将绝缘套管的一端卡在第二壳体内部，绝缘多孔介质环内周壁与绝缘套管的外周壁贴合，绝缘多孔介质环外周壁与第二壳体的内周壁贴合。

所述针形电极安装在绝缘套管内部且与绝缘套管同轴设置，针形电极接入交流电源，电压幅值为10～15kV，频率为30～50kHz，由于溶液为导体，通常具有较高电导率，当溶液流经绝缘套管外侧时，针形电极和溶液形成放电的两极，针形电极与绝缘套管之间的空间形成等离子体放电区域。

所述进气管的一端伸入绝缘套管内部，少量空气从进气管进入绝缘套管，可产生活性基团，且保证内部气压值，避免绝缘套管内部气压过低导致污水从绝缘多孔介质环进入绝缘套管。

待处理的溶液从管壳入口进入，流经第二锥面时发生强烈的压力降，在低压空间形成空化区域，产生大量气泡，针形电极与绝缘套管之间形成等离子体放电区域，少量空气从进气管进入绝缘套管中，通过等离子体放电区域，产生大量活性基团，空气携带活性基团通过绝缘多孔介质环进入芯体和管壳之间的溶液区域，含有活性基团的气体进入空化区域，由等离子体产生的活性物质与空化过程产生的气泡相融合；由于溶液中液体压力会迅速恢复，气泡会发生溃灭，从而在溶液中产生局部高温和高频高压冲击，等离子体产生的活性物质会有效进入聚丙烯酰胺溶液，通过以上结构实现非平衡态等离子体与水力空化协同作用，实现对聚丙烯酰胺污水的降解。

上述技术方案利用溶液作为等离子体放电的电极，将等离子产生装置与水利空化装置有效结合，使少量气体发生等离子体放电过程产生活性物质，利用水力空化过程将活性物质溶解入聚丙烯酰胺溶液，从而实现聚丙烯酰胺污水高效、无毒、低价降解。

进一步的，若干芯体沿水流的方向间隔分布，将若干芯体串联设置，溶液依次流经若干芯体，可使其内的聚丙烯酰胺含量进一步降低。

进一步的，若干芯体沿垂直于水流的方向间隔分布，将若干芯体并联设置，可处理大体积的污水，提高污水降解效率。

进一步的，所述绝缘套管靠近容置孔孔底的部位向内凸出有环形凸起，用于控制绝缘套管出口处的气体流量。

进一步的，所述第一锥面的锥角α

进一步的，多孔介质环材质为非金属，孔隙率为35％～50％，微孔孔径为0.22～50μm。

进一步的，芯体外壳外径D

进一步的，管壳直径D

进一步的，所述针形电极为钨极，直径为1.5mm，所述绝缘套管的材质为石英玻璃，直径为10～15mm，厚度为1.5～2mm。

进一步的，管壳入口处溶液平均流速为3～5m/s，进气管内气体入口体积流量为120～225ml/min。

本发明的有益效果是：本发明利用溶液作为等离子体放电的电极，将等离子产生装置与水利空化装置有效结合，使少量气体发生等离子体放电过程产生活性物质，利用水力空化过程将活性物质溶解入聚丙烯酰胺溶液，从而实现聚丙烯酰胺污水高效、无毒、低价降解。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为芯体的结构示意图；

图中：

1、芯体；101、针形电极；102、进气管；103、绝缘套管；1031、环形凸起；104、芯体外壳；1041、第一壳体；1042、第二壳体；1043、第一锥面；1044、第二锥面；1045、容置孔；105、绝缘多孔介质环；

2、管壳；

3、空化区域；

4、等离子放电区域；

α

α

D

D

L

L

L

L

L

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本发明是一种非平衡态等离子体协同水力空化污水降解装置，包括管壳2及固定在管壳2内部的若干芯体1，芯体1位于管壳2的中间部位；

所述芯体1包括针形电极101、进气管102、绝缘套管103、芯体外壳104及绝缘多孔介质环105，所述芯体外壳104接地，芯体外壳104包括位于头部的第一壳体1041及位于尾部的第二壳体1042，所述第一壳体1041设有第一锥面1043，所述第一锥面1043的半径自前往后逐渐增大，第一锥面1043的锥角α

所述绝缘多孔介质环105套设在绝缘套管103外部，将绝缘套管103的一端卡在第二壳体1042内部，绝缘多孔介质环105内周壁与绝缘套管103的外周壁贴合，绝缘多孔介质环105外周壁与第二壳体1042的内周壁贴合，绝缘多孔介质环105采用Al

所述针形电极101安装在绝缘套管103内部且与绝缘套管103同轴，所述针形电极101为钨极，直径为1.5mm，针形电极101接入交流电源，电压幅值为10kV，频率为35kHz，由于溶液为导体，通常具有较高电导率，当溶液流经绝缘套管103外侧时，针形电极101和溶液形成放电的两极，针形电极101与绝缘套管103之间的空间形成等离子体放电区域4。

所述进气管102的一端伸入绝缘套管103内部，空气从进气管102进入绝缘套管103，可产生活性基团，且保证内部气压值，避免绝缘套管103内部气压过低导致污水从绝缘多孔介质环105进入绝缘套管103。进气管102内气体入口体积流量为200ml/min。

若干芯体1沿水流的方向间隔分布，将若干芯体1串联设置，溶液依次流经若干芯体1，可使其内的聚丙烯酰胺含量进一步降低。

若干芯体1沿垂直于水流的方向间隔分布，将若干芯体1并联设置，可处理大体积的污水，提高污水降解效率。

所述绝缘套管103靠近容置孔1045孔底的部位向内凸出有环形凸起1031，用于控制绝缘套管103出口处的气体流量。

芯体外壳104外径D

管壳2直径D

本发明的工作原理及使用流程：

待处理的溶液以4m/s的流速从管壳2入口进入，流经第二锥面1044时发生强烈的压力降，在低压空间形成空化区域3，产生大量气泡，针形电极101与绝缘套管103之间形成等离子体放电区域4，少量空气从进气管102进入绝缘套管103中，通过等离子体放电区域4，产生大量活性基团，空气携带活性基团通过绝缘多孔介质环105进入芯体1和管壳2之间的溶液区域，含有活性基团的气体进入空化区域3，由等离子体产生的活性物质与空化过程产生的气泡相融合；由于溶液中液体压力会迅速恢复，气泡会发生溃灭，从而在溶液中产生局部高温和高频高压冲击，等离子体产生的活性物质会有效进入聚丙烯酰胺溶液，实现对聚丙烯酰胺污水的降解。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。