气液两相介质阻挡放电装置

摘要

本实用新型提供了一种气液两相介质阻挡放电装置。气液两相介质阻挡放电装置包括圆桶和放电电极；圆桶可绕其轴线转动；放电电极悬置在圆桶内并与圆桶侧壁之间留有间隙；放电电极与圆桶轴线之间的夹角等于圆桶侧壁与其轴线之间的夹角。与现有技术相比，本实用新型提供的气液两相介质阻挡放电装置采用外壁旋转的方式，利用离心力实现静态非水电极与动态水电极，同时为解决旋转情况下液面具有一定波动的状况，同时也增大放电水相接触面。将旋转的外壁材料更改为多孔陶瓷材料，利用陶瓷的多孔特性相对增大液相面。采用循环喷淋法，更新水相，部分液体为弥散的气相中，更进一步吸水空气中的活性成分。

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种水处理设备技术领域，尤其涉及一种气液两相介质阻挡放电装置。

背景技术

介质放电等离子体水处理是一种新型的水处理氧化技术，在有机废水无害化处理、无工质消毒活化水的等领域具有重要的作用。传统的介质阻挡放电水处理装置在两平行介质阻挡放电装置中间通过废水。一般采用空气、Ar、N2等气体作为工作介质，水相仅作为待处理物，产生的等离子体通过气体或液体传质作用进入水相中，整个过程存在等离子体不均匀稳定、自由基不能及时被有效利用、活性粒子与水相接触不充分等问题。而气液两相介质阻挡放电装置是将待处理的水作为电极，放电区域直接与水相接触，同时水相还能有效降低放电区域的温度，是一种更高效的等离子体水相处理方法。

但以上技术也存在以下问题：

1、采用静态处理时，放电区域接触的液面基本保持不变，亦表示等离子体大部分对接触的水相部分进行了有效反应，然后通过水相将产生的活性基扩散到水相的其余部位。对于衰减较快的活性基而言，还未到起到有效作用时就已经衰减，效率远未达到最大化。当采用动态处理时，电极的移动会加大整体系统的绝缘难度。水相的活动降导致静止的液面产生较大的波动，影响放电的平稳性与等离子体的均匀性。

2、介质气体中活性基团的利用率不高。介质阻挡放电的介质气体为空气、Ar、N2，采用空气时其可能的应用范围更广，介质阻挡放电在将两电极之间气相形成等离子体，活性基团在气相中的浓度最大，采用水电极时高效利用了近水区域的等离子体，但非水电极区域的气相等离子体的利用率不高。

3、非水相放电电极的放热问题。介质阻挡放电电极的发热是行业难题。具体原理还没有一个统一的答复。但通过改变电介质阻挡放电的介质性能、电极内部的气隙可较大的改善电极的放热问题。提高放电的效率与电极的使用寿命。

4、放电区域的液相接触面问题，在非水相的电极结构确定时，放电区域与液相的接触面越大，产生等离子体的效率越高。常规的水电极因为保证水相液面稳定，只能通过增大非水相电极的电极个数来增大放电面。对介质阻挡放电的功率要求更高。

实用新型内容

针对上述现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种气液两相介质阻挡放电装置，其可有效解决水相电极在动态时的液相表面的平稳问题。

本实用新型提供的气液两相介质阻挡放电装置，包括圆桶和放电电极；所述圆桶可绕其轴线转动；所述放电电极悬置在所述圆桶内并与所述圆桶侧壁之间留有间隙；所述放电电极与所述圆桶轴线之间的夹角等于所述圆桶侧壁与其轴线之间的夹角。

本实用新型采用外壁旋转的方式来解决水相电极在动态时的液相表面的平稳问题。同时利用外壁旋转的表面粘滞力带动空气流动，提高放电区域活性等离子体的利用效率。

优选地，所述圆桶侧壁由多孔陶瓷制成或者在所述圆桶侧壁的内表面设置有由多孔陶瓷制成的陶瓷环；所述放电电极与陶瓷环之间留有间隙，所述放电电极与所述陶瓷环轴线之间的夹角等于所述陶瓷环内壁与其轴线之间的夹角。

通过采用离心力+多孔陶瓷孔的虹吸，通过控制水量，将水均布在多孔陶瓷表面，同时利用多孔陶瓷比表面积大的特点，在放电区域不变的情况下，增大放电区域与水的接触面积，提高等离子体处理水的效率。

多孔陶瓷固定液面的原理是利用毛细原理，即水与陶瓷之间的界面张力，当多孔陶瓷孔径较大时，界面张力远小于离心力时，多孔陶瓷内水会往内缩，水将延多孔陶瓷的孔中排出；由于陶瓷的亲水性，多孔陶瓷将处于孔内无水，但材料本身处于湿润状态，此时陶瓷的孔径边缘亦会形成水膜，此时情况下，放电只会优先在距放电电极最近的地方产生，亦就是孔径边缘，而不是在水面的均匀的产生。

当放电间距较大时，这种由于孔径、转速离心力所产生的液面差相比于电极的比例亦会产生变化，液面差的影响也会相应的缩小。

基于上述原因，本实用新型中优选放电距离为5～15mm，所述多孔陶瓷的孔径为30～120μm；进一步优选地：放电距离为5～7mm，所述多孔陶瓷的孔径为30～60μm；放电距离为9～15mm，所述多孔陶瓷的孔径为90～120μm。该范围内，可更有效增大放电区域与水的接触面积，并使放电在水面均匀产生，提高等离子体处理水的效率。

优选地，所述放电电极包括导体和包裹所述导体的介质管。

优选地，包括导体和包裹所述导体的介质管，所述介质管为三层结构，内层为绝缘管，中间层为包裹在所述绝缘管外的聚酰亚胺层，外层为包裹在所述聚酰亚胺层外的PTFE膜，所述PTFE膜与聚酰亚胺层接触的表面为活化表面。绝缘管内层采用陶瓷或石英玻璃制成，优先选择介电常数小的，一般控制相比介电常数在5以内，效果会更理想。聚酰亚胺层主要起到粘接内层和外层的作用。

优选绝缘管为石英管，石英管的厚度为0.8～1.2mm，管外径为13～17mm，管长为40～60mm；更优选地，所述石英管的厚度为1.0mm，管外径为15mm，管长为50mm。优选PTFE膜厚度约为0.2～0.6mm，优选为0.3～0.5mm，进一步为0.5mm。

介质阻挡放电的放电问题一直是行业难题，由于要保证放电还要保证整个体系的安全，放电电极中介质要起到保护并隔绝导电内高压的作用。但目前的介质耐击穿、耐老化能力不足，电极的使用寿命受限。本实用新型中介质管设计为三层结构，外层结构采用单面活化PTFE膜(聚四氟乙烯膜)，此处不采用PTFE涂层，是因为涂层中的小气泡会极大的降低整个材料的寿命。PTFE是一种惰性材料，几乎与所有的材料均不粘，为保证PTFE膜与其它材质的粘接性，需要将PTFE表面的活性提高，提高表面的亲水性或亲油性。一般的活化方式有化学方式为破坏表面链段，接枝活性基团，如用特殊的酸处理然后接枝亲水基团等。也可以采用物理方式，DBD(介质阻挡放电)等离体处理就可以达到类似的效果，具体活化方式可根据需要进行选择。中间层采用聚酰亚胺树脂，聚酰亚胺具有极高的耐温等极与耐局部放电能力，单层活化的PTFE能够更好的与聚酰亚胺结合而不产生分层，不产生小气泡。内层采用陶瓷或石英玻璃，优先选择介电常数小的，一般控制相比介电常数在5以内，效果会更理想。此种结构的介质管耐击穿、耐老化能力强，电极的使用寿命长。采用这样的结构，可以较大幅度的降低放电电极的放电发热过程。当内部的导电采用金属+绝缘导热油(主要排空气，以免发生内部放电)或水时，可防止内部液体温度过高产生爆开等现象。

优选地，所述导体为水，所述介质管管体的两端封闭而中部开设有进水口，进水口连接有进水管，所述介质管通过所述进水管悬置在所述圆桶内。

目前介质阻挡放电装置中，放电电极的导体一般选择金属，绝缘介质一般采用PTFE或陶瓷。但如果作为一种长期使用的电极，则存在一个较严重的放热问题，DBD介质阻挡放电的能量利用率不高，大部分能量将转化为热能，因此放电区域的温升一般比较严重。特别是作为包裹绝缘介质的金属电极，由于绝缘介质的热的不良传导，往往会导致电极温度高达200～300度，会产生一系列的问题，最大的问题在于高温情况下，金属电极与绝缘介质的膨胀系数不一样，产生孔隙引入了空气，会导致放电在高压电极内部产生，影响电极寿命。所以为避免此问题发生，设计将金属电极替换为水，水具有导电性，利用水的流动性来传热降温，同时水的不定形性也能更好的排出导体和绝缘介质之间的空气，从而避免上述发热问题的发生。因此设计上，将介质管两端采用圆形头封闭，介质管中间部位开孔，导入水，并对电极进行悬挂，并采用一定的循环来达到导电、降温的目的。

优选地，介质管采用圆柱形结构，介质管边缘部分进行倒圆处理，以防止尖端放电。

优选地，所述圆桶顶部还悬置有盖体，所述盖体与所述圆桶之间可相对转动；所述盖体朝向所述圆桶的一侧固定有所述放电电极。盖体可用于遮挡圆桶顶部的开口，防止旋转时圆桶内的液体溅出；同时盖体独立与圆桶，不予圆桶接触，如此在圆桶旋转时，盖体可以保持不动，从而确保安装在盖体上的放电电极保持静止状态，避免了旋转振动对放电电极的影响。

优选地，所述盖体与所述圆桶侧壁之间安装有轴承，所述盖体与所述圆桶侧壁之间通过轴承密封并形成转动连接。通过设置轴承可对盖体和圆桶之间的间隙进行密封，保证圆桶旋转时液体不从孔隙中溅出。轴承优选采用橡胶制成，可有效减少旋转振动对盖体的影响。

由于重力的作用，当产生离心力时，采用直桶或下大上小的结构，水更容易积于底部，很难控制出合适的旋转速，达到液面与放电电极平行的目的。

基于上述原因，本实用新型优选所述圆桶底部的直径小于其顶部的直径。圆桶整体呈倒圆台状，圆桶底部的直径小于其顶部的直径，圆桶采用上大下小的结构设计，便于水膜更均匀分布。

优选地，气液两相介质阻挡放电装置还包括喷淋装置，所述喷淋装置悬置在所述圆桶内并与所述圆桶侧壁之间留有间隙，所述喷淋装置用于向所述圆桶侧壁喷水。喷淋装置的添加，更有效实现水的循环，实现被处理水的轮换，喷淋通过空气的区域，留存在空中的小液滴会吸附空气中存在的活性基团。提高水处理的效率。在上述气液两相介质阻挡放电装置设置有盖板的方案中，喷淋装置安装在所述盖体朝向所述圆桶的一侧上。

本实用新型还提供了一种电极，包括导体和包裹所述导体的介质管，所述介质管为三层结构，内层为绝缘管，中间层为包裹在所述绝缘管外的聚酰亚胺层，外层为包裹在所述聚酰亚胺层外的PTFE膜，所述PTFE膜与聚酰亚胺层接触的表面为活化表面。此种结构的介质管耐击穿、耐老化能力强，电极的使用寿命长，该电极可作为气液两相介质阻挡放电装置中的放电电极使用。优选所述绝缘管为石英管或陶瓷管。

与现有技术相比，本实用新型提供的气液两相介质阻挡放电装置采用外壁旋转的方式，利用离心力实现静态非水电极与动态水电极，同时为解决旋转情况下液面具有一定波动的状况，同时也增大放电水相接触面。将旋转的外壁材料更改为多孔陶瓷材料，利用陶瓷的多孔特性相对增大液相面。液面的粘滞力会带动液面上方的空气流动。更进一步提高此区域等离体的利用效率。为进一步提升效率，内部液体采用循环喷淋法。将喷头对准的多孔陶瓷区域，由于离心力的存在，大部分水会均匀分布多孔陶瓷表面与孔内表面；部分液体为弥散的气相中，更进一步吸水空气中的活性成分。放电电极采用圆柱形结构，进行倒圆处理边缘部分，以防止尖端放电。介质层采用三层结构，外层采用PTFE、中间采用聚酰亚胺、内部采用陶瓷，三层复合介质共同解决电极的放热、击穿、温度升高内部放电所导致电极老化等问题。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本实用新型的目的。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

图1为常规的介质阻挡放电的电极结构的示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的气液两相介质阻挡放电装置的结构示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的陶瓷环与圆桶侧壁装配剖面示意图。

附图标记说明：

1、盖体；2、圆桶；3、放电电极；4、轴承；5、喷淋装置；6、底盘；7、进水管；8、陶瓷环；9、凹槽；21、侧壁；31、介质管；100、交流高压电源；200、高压电极；300、介质层；400、接地电极。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本实用新型中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

利用介质阻挡放电的形式进行水相处理或生产等离子体活化水时，其最有效的方式是将待处理或待活化的水相作为一个电极，届时，等离子体生成区域将与水相产生最大面积的接触，水相处理效果将最佳。

图1示出了一种常规的介质阻挡放电的电极结构，本实用新型提供的液两相介质阻挡放电装置的结构主要利用了如图1所示的结构原理，放电结构为“导体|介质—空气—导体”的结构，其中“导体|介质”是指将导体与绝缘介质层无间隙结合为一体的结构，如果导体与介质之间由于孔隙存在空气，进行介质阻挡放电的时候将可能把这部分的空气击穿。

一般情况下，在保证放电电压、功耗等影响，空气间隙一般小于10mm，稳定效果的情况下一般控制在2mm～7mm，间隙越小，起始电压越低，放电越容易稳定。但由于水的不定型特性，外界的扰动容易造成水平面波动，当采用与水面平行的电极进行平行放电时，这种水的扰动会造成放电的不稳定。如果水面发生倾斜导电放电电极部分进入水中，会造成放电中止，或需要更高的电压(水在另一电极的介质表面上产生沿面放电)，因此，类似的装置一直是在水面稳定、电极间隙之间做平衡，即使如此，此类装置也有比较严格的使用条件要求。

如图2所示，气液两相介质阻挡放电装置主要包括圆桶2、放电电极3和喷淋装置5。圆桶2底部封闭而顶部开口，在驱动装置的驱动下圆桶2可绕其轴线转动，放电电极3和喷淋装置5悬置在圆桶2内并与圆桶2侧壁的内表面之间留有间隙；喷淋装置5用于向圆桶2的侧壁21喷水，圆桶2侧壁21上形成的水膜作为水电极。放电电极3与圆桶2轴线之间的夹角等于圆桶2的侧壁21与其轴线之间的夹角，放电电极3与圆桶2的侧壁21平行，从而确保放电电极3与水电极表面平行。

通过旋转的方式，利用离心力来保证液面与放电电极3间的平行及平稳。同时利用外壁旋转的表面粘滞力带动空气流动，提高放电区域活性等离子体的利用效率。圆桶2内的放电电极3至少设置一个，但为了进一步增大放电区域与水的接触面积，圆桶2内也可间隔设置有多个放电电极3。

采用喷淋装置5给圆桶2的侧壁21补水，一是有利用于更换水电极的液相面；二是增加空气中的液滴量，更高效利用空气中的活性成分。三是保持圆桶2的侧壁21液相平稳。喷淋装置5优选设置于放电电极3相反的方向，以避免水珠影响介质阻挡放电。喷淋装置5喷淋在圆桶2侧壁的水量经过半圈旋转后到放电区域部位时，应没有明显的水流。优选喷淋装置5可形成较均匀的雾化，便于小水珠对空气中的活性基团进行有效吸附。

由于重力的作用，当产生离心力时，采用直桶或下大上小的结构，水更容易积于圆桶2的底部，很难控制出合适的旋转速，达到液面与放电电极3平行的目的。而本实用新型优选圆桶2整体呈倒圆台状，圆桶2底部的直径小于其顶部的直径，圆桶2采用上大下小的结构设计，便于水膜更均匀分布。

如图3所示，圆桶2的内侧侧壁21上开设环形凹槽9，在环形凹槽9内嵌装有多孔陶瓷制成的陶瓷环8，放电电极3与陶瓷环8侧壁21之间留有间隙，放电电极3与陶瓷环8轴线之间的夹角等于陶瓷环8侧壁21与其轴线之间的夹角；喷淋装置5用于向陶瓷环8的内壁喷水从而在陶瓷环8表面形成水膜。陶瓷环8的厚度大于环形凹槽9的深度，从而确保陶瓷环8凸出于圆桶2侧壁21，从而确保陶瓷环8上的液面比圆桶2侧壁21的液面更靠近放电电极3，使放电更集中于多孔陶瓷表面。

在一个实施例中，圆桶2的下底半径为150mm，上底半径为200mm,圆桶2高200mm；圆桶2侧壁整体由PC材质够成，侧壁厚约10mm，在距离圆桶2底面约70mm处，精加工约长为70mm宽，5mm深的凹槽9；多孔陶瓷环8嵌装在凹槽9内，多孔陶瓷环8的厚度约8mm，较凹槽9高出约3mm左右。

多孔陶瓷的孔径不能太大也不能太小，当太大时，由于离心力的作用，放电只作用于突出部分的水面。当太小时，离心力不足以将水膜压成水膜在孔内的情况，达不到增大放电面积的目的。孔径大小也离心力大小，放电间距有关。放电间距大时，孔径可略大。本实用新型中，优选放电距离为5～15mm，多孔陶瓷的孔径为30～120μm；进一步优选地：放电距离为5～7mm，多孔陶瓷的孔径为30～60μm；放电距离为9～15mm，多孔陶瓷的孔径为90～120μm。该范围内，可更有效增大放电区域与水的接触面积，并使放电在水面均匀产生，提高等离子体处理水的效率。

放电电极3包括导体和包裹导体的介质管31。介质管31采用圆柱形结构，介质管31边缘部分进行倒圆处理，以防止尖端放电。介质管31为三层结构，内层为绝缘材料制成，可采用石英管或陶瓷管，本实施例中介质管31内层优选用石英玻璃制成的石英管；中间层为包裹在石英管外的聚酰亚胺层，聚酰亚胺主要起到粘接作用，并且具有极高的耐温等极与耐局部放电能力；外层为包裹在聚酰亚胺层外的PTFE膜(聚四氟乙烯膜)，PTFE膜与聚酰亚胺层接触的表面为活化表面。单层活化的PTFE能够更好的与聚酰亚胺结合而不产生分层，不产生小气泡。导体为水，介质管31管体的两端封闭而中部开设有进水口，进水口连接有进水管7，介质管31通过进水管7悬置在圆桶2内，利用水的流动性可使水充满介质管31，排出介质管31中气体，避免放电在高压电极内部产生，有利于延长电极寿命。

内层的绝缘管为石英管为例，介质管31的制作包括以下步骤：

在石英管的外壁涂覆聚酰亚胺，在涂覆了聚酰亚胺的石英管上包裹单面活化的PTFE膜，PTFE膜用于包裹石英管的表面经过活化处理，将包裹了PTFE膜的石英管装入真空烘箱中烘干处理，然后冷却至室温即得到介质管31。

其中，PTFE膜的膜厚约0.5mm。PTFE膜预先制成袋装结构，内表面预先进行过活过处理，便于聚酰亚胺的粘接。活化方式有化学方式为破坏表面链段，接枝活性基团，如用特殊的酸处理然后接枝亲水基团等。也可以采用物理方式，DBD(介质阻挡放电)等离体处理就可以达到类似的效果，具体活化方式可根据需要进行选择。

优选将烘干处理分两步进行：第一步，在120～170℃烘干处理1～2h，更优选地，烘干温度为150℃，时间为1h；第二步，在180～220℃烘干处理2～4h，更优选地，烘干温度为200℃，时间为3h。

为了防止圆桶2旋转时液体溅出，优选增设盖体1，盖体1可使用支架或固定台等悬置在圆桶2的顶部，确保盖体1和圆桶2之间留有间隙，从而可以在圆桶2转动时使盖体1保持静止。盖体1可用于遮挡圆桶2顶部的开口，防止旋转时圆桶2内的液体溅出；同时盖体1独立与圆桶2，不予圆桶2接触，如此在圆桶2旋转时，盖体1可以保持不动，从而确保安装在盖体1上的放电电极3和喷淋装置5保持静止状态，避免了旋转振动对放电电极3和喷淋装置5的影响。盖体1朝向圆桶2的一侧固定有放电电极3和喷淋装置5。

盖体1与圆桶2侧壁21之间还可安装有轴承4，盖体1与圆桶2侧壁21之间通过轴承4密封并形成转动连接。通过设置轴承4可对盖体1和圆桶2之间的间隙进行密封，保证圆桶2旋转时液体不从孔隙中溅出。轴承4优选采用橡胶制成，可有效减少旋转振动对盖体1及放电电极3和喷淋装置5的影响。圆桶2、盖体1和底盘6均可采用PC材料制成。

为了便于带动圆桶2转动，可在圆桶2底部固定安装有底盘6，底盘6底部的中心安装有电机，要求圆桶2与电机转轴中心重合，通过电机可带动底盘6转动，再通过底盘6带动圆桶2绕圆桶2的轴线转动。例如，电机以180R/min时，多孔陶瓷段偏心距离不超过1mm，即可认为圆桶2与电机转轴中心重合。

使用气液两相介质阻挡放电装置进行水处理时，包括以下步骤：

1、在圆桶2中加入适量的水，水的加入量以水不能接触到放电电极3为准；

2、开启底盘6底部的电机，使整个圆桶2产生旋转；

3、开启喷淋装置5，对侧壁的多孔陶瓷喷淋雾化的水，喷淋装置5采用内部水循环；

4、开启放大电极的电压，放电电极3内部的水通过导线接地；

5、放电电极3与侧壁的水面形成介质阻挡的放电结构，当合适的电压与频率时，高压电极与侧壁产生等离子体放电，对水进行处理或生产活化水。

气液两相介质阻挡放电装置中，电极、喷淋装置5保持不动，侧壁随底盘6发生旋转，产生的效果是进行等离子体放电的区域水一直在进行更换。

最后应说明的是：以上实施方式及实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式及实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式或实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施方式或实施例技术方案的精神和范围。