一种利用直流源产生水中放电等离子体的装置及方法

技术领域

本发明涉及水中放电等离子体技术领域，尤其涉及一种利用直流源产生水中放电等离子体的装置及方法。

背景技术

现代工业的快速发展丰富物质生活的同时，也不可避免的带来了环境污染加剧的困扰。因此，如何经济有效地降解这一类工业废水已经成为当代环境科学工作者关注的焦点，大批研究人员正致力于研发一种经济高效的治理技术。

脉冲放电等离子体水处理技术是被广泛研究的技术，这是因为其作为等离子体应用技术是一种涵盖了多种高级氧化技术(如电子辐射、臭氧氧化、过氧化氢氧化、光化学氧化、超临界水氧化等)的新型水处理技术，体系的反应条件并不苛刻，不需要特殊的技术手段辅助，在常温、常压下即可实现。通过放电容易产生氧化性很强的高能电子、激发态粒子、OH自由基和活性O原子等活性粒子以及氧化电位很高的O

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种利用直流源产生等离子体的装置及方法，以及采用该装置产生的等离子体降解溶液中有机物及灭杀有害微生物，该装置无需复杂的高压脉冲电源，利用简单的直流源实现液中放电，即可以产生平衡等离子体，并能够用于降解水中有机物及灭杀有害微生物。

为达到上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种利用直流源产生水中放电等离子体的装置，包括驱动模块、旋转电极、至少两个活动电极、以及固定模块；其中，

所述旋转电极与驱动模块连接，在所述驱动模块的驱动下以驱动模块的中心轴为中心做圆周运动；

所述至少两个活动电极分别设置于所述旋转电极端部的外侧，与固定模块连接；

所述旋转电极在圆周运动的过程中，分别与所述至少两个活动电极之间重复分离-接触-分离的过程，以在此过程中产生等离子体。

进一步的，所述驱动模块包括与电机连接的旋转轴，所述旋转轴的中心为驱动模块的中心轴。

进一步的，所述至少两个活动电极包括放电端活动电极和导电端活动电极。

进一步的，所述旋转电极包括内部和外部，所述内部为与旋转轴连接的不锈钢金属部件；所述外部为耐烧蚀电极材料部件。

进一步的，所述放电端活动电极包括上部和下部，所述上部为耐烧蚀电极材料部件，所述下部为金属部件。

进一步的，所述固定模块包括反应容器器壁、固定于所述反应容器器壁上的固定块、以及连接所述固定块和活动电极的连接轴；所述至少两个活动电极分别能够绕所述连接轴微角度旋转。

进一步的，所述固定模块还包括两端分别与反应容器器壁和放电端活动电极连接的放电端紧迫弹簧和两端分别与反应容器器壁和导电端活动电极连接的导电端紧迫弹簧。

进一步的，所述放电端紧迫弹簧的劲度系数被设计为使得：

旋转电极在运动过程中与放电端活动电极下部具有可靠电气接触；以及，

旋转电极在运动至放电端活动电极上部时，两电极间存在间隙；

所述导电端紧迫弹簧的劲度系数被设计为使得：

旋转电极在运动过程中与导电端活动电极具有可靠电气接触；以及，

不得致使导电端活动电极阻碍旋转电极的圆周运动。

根据本发明的第二个方面，提供了一种采用如本发明第一个方面所述的装置产生水中放电等离子体的方法，包括：

旋转电极做圆周运动，运动至将与放电端活动电极和导电端活动电极接触的初始位置，此时电极间处于分断状态；

旋转电极继续运动至与放电端活动电极下部和导电端活动电极接触，旋转电极和放电端活动电极之间通过直流电流进行放电；

旋转电极在本次放电结束前一直与导电端活动电极之间保持可靠电气接触，直至旋转电极运动至放电端活动电极上部时两电极分离，此时旋转电极和放电端活动电极间产生等离子体；

旋转电极继续移动，与放电端活动电极间距持续增加，直至回到初始位置，并重复上述各步骤。

根据本发明的第三个方面，提供了一种处理工业废水的方法，采用等离子体降解废水中的有机物以及灭杀有害微生物；其中，

所述等离子体采用如本发明第一个方面所述的装置产生。

综上所述，本发明提供了一种利用直流源产生水中放电等离子体的装置及方法，以及采用该装置产生的等离子体处理工业废水的方法，该装置通过驱动轴驱动旋转电极做圆周运动，旋转电极在圆周运动的过程中与固定于固定模块上的至少两个活动电极分别重复分离-接触-分离过程，并在此过程中产生可用于降解溶液中有机物及灭杀有害微生物的等离子体。采用该装置产生等离子体，无需复杂的高压脉冲电源，所需直流源结构简单，易于工业化应用；并且由于该装置中旋转电极与放电端活动电极在一个运动周期中只有很短一段时间内产生电弧等离子体，相较于持续电弧放电方式能有效减轻电极烧蚀程度；该装置放电功率大，单位时间内能在被处理溶液中产生大量活性粒子及高强度紫外线，从而达到大量处理废水的目的，能够较好的达到水溶液处理的目的。

附图说明

图1是本发明利用直流源产生水中放电等离子体的装置的结构示意图，其中，1、反应容器器壁，2、放电端紧迫弹簧，3、放电端活动电极，4、固定块，5、旋转电极，6、连接轴，7、旋转轴，8、导电端紧迫弹簧，9、导电端活动电极；

图2是本发明利用直流源产生水中放电等离子体的装置旋转电极运动轨迹示意图，其中，圆心为O

图3是本发明利用直流源产生水中放电等离子体的装置产生等离子体的过程中各状态示意图；图3(a)是旋转电极运动至将与放电端活动电极和导电端活动电极接触的状态；图3(b)是旋转电极运动至与放电端活动电极下部和导电端活动电极刚接触的状态；图3(c)是旋转电极运动至放电端活动电极上部时将要分离的状态；图3(d)是旋转电极运动至与放电端活动电极分离的状态；

图4是本发明利用直流源产生水中放电等离子体的装置产生等离子体的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种利用直流源产生水中放电等离子体的装置，包括：驱动模块、旋转电极、至少两个活动电极、以及固定模块。该装置的结构示意图如图1所示，以下结合图1对该装置的结构进行详细说明。

驱动模块包括与电机连接的旋转轴，所述旋转轴的中心为驱动模块的中心轴。旋转电极与驱动模块连接，在所述驱动模块的驱动下以驱动模块的中心轴为中心做圆周运动。

所述至少两个活动电极分别设置于所述旋转电极两端的外侧，与固定模块连接。所述至少两个活动电极至少包括放电端活动电极3和导电端活动电极9。旋转电极包括内部和外部，所述内部为与旋转轴连接的金属材料部件，该金属材料例如为不锈钢、铜或其他易导电金属材料；所述外部为耐烧蚀电极材料部件，例如可以为钨。放电端活动电极包括上部和下部，所述上部为耐烧蚀电极材料部件，例如可以为钨，所述下部为金属部件，例如可以为铜。其中对于放电端活动电极材料，为避免装置放电处理水溶液过程中发生金属电极材料氧化反应，放电端活动电极应避免采用铝、铁及其合金材料，可采用例如铜、钨或其他弱还原性金属电极材料。将旋转电极分为内外两部分，两部分通过可拆卸方式连接，以达到电极烧蚀后易于更换的目的。同样的，放电端活动电极也分为上下两部分，两部分通过可拆卸方式连接，以达到便于更换电极的目的。

所述固定模块包括反应容器器壁1、固定于所述反应容器器壁1上的固定块4、将放电端活动电极3和导电端活动电极9连接于固定块4的连接轴6，可绕连接轴6微角度旋转的放电端活动电极3和导电端活动电极9，固定模块中例如固定块4、连接轴6等固定部件的数量均与活动电极的数量相对应。两端分别与反应容器器壁1和放电端活动电极3连接的放电端紧迫弹簧2以及两端分别与反应容器器壁1和活动端活动电极3连接的导电端紧迫弹簧8，连接电机的旋转轴7，旋转轴7驱动下做圆周运动的旋转电极5，其中旋转电极5作为两活动电极3、9之间的电流通路。该固定模块还包括两端分别与反应容器器壁1和放电端活动电极3连接的放电端紧迫弹簧2和两端分别与反应容器器壁1和导电端活动电极9连接的导电端紧迫弹簧8。放电端紧迫弹簧2两端分别与反应容器器壁1和放电端活动电极3连接，放电端紧迫弹簧2具有合适的劲度系数，以保证：(1)旋转电极5在运动过程中能与放电端活动电极3下部具有可靠电气接触；(2)劲度系数不能过大，满足旋转电极在运动至放电端活动电极上部时，两电极间应存在间隙。导电端紧迫弹簧8应具有合适的劲度系数，以保证：(1)旋转电极5在运动过程中能与导电端活动电极9具有可靠电气接触；(2)劲度系数不能过大，致使导电端活动电极9严重阻碍旋转电极5的圆周运动。

旋转电极5在圆周运动的过程中，和放电端活动电极3及导电端活动电极9之间重复分离-接触-分离这一过程，以在此过程中产生水中放电等离子体，其基本原理是：旋转电极5做圆周运动转动至与放电端活动电极3接触时，两电极接触时通过大电流直流电，此时恒压恒流直流源工作在恒流状态。旋转电极5继续做顺时针运动，直至旋转电极5和放电端活动电极3分断产生电弧，并在之后小段时间内持续燃弧，两电极间距持续增大致使电弧熄灭。其中，所述旋转电极5圆周运动的轨迹圆半径为R

根据本发明的另一个实施例，提供了一种采用该装置产生等离子体的方法，该方法的流程图如图4所示，旋转电极做圆周运动的运动轨迹示意图如图2所示，图3(a)-(d)则示出了利用直流源产生水中放电等离子体的装置产生等离子体的过程中各状态示意图，结合上述各附图，该方法包括如下过程：

如图3(a)所示，旋转电极5运动至将与放电端活动电极3和导电端活动电极9接触，此时电极间处于分断状态，此时不产生等离子体。

旋转电极5继续运动至与放电端活动电极3下部和导电端活动电极9接触时，如图3(b)所示，此时各电极均接触，旋转电极5和放电端活动电极3之间通过直流电流。

在导电端紧迫弹簧8的作用下，旋转电极5在本次放电结束前都将与导电端活动电极9之间产生可靠电气接触。同时在放电端紧迫弹簧2的作用下，旋转电极5运动在图3(b)所示位置至图3(c)所示之间时两电极产生有效电气接触，直至旋转电极5运动至放电端活动电极3上部时两电极分离，如图3(c)所示，此时旋转电极5和放电端活动电极3之间产生等离子体，同时产生多种高级氧化反应，例如电子辐射、臭氧氧化、过氧化氢氧化、光化学氧化、超临界水氧化等。

旋转电极5继续移动，与放电端活动电极3间距持续增加，直至电弧无法维持熄灭,如图3(d)所示。然后旋转电极运动至图3(a)所示位置,并重复上述过程。

根据本发明的第三个实施例，提供了一种处理工业废水的方法，采用等离子体降解废水中的有机物以及灭杀有害微生物；所述等离子体可以采用如本发明第一个实施例所提供的装置产生。根据某些实施例，在采用该装置产生等离子体对废水进行处理时，可以采用大功率直流源，以增加单次放电电弧等离子体能量，产生更大放电功率，从而达到快速处理大量水溶液的目的。还可以通过改变旋转电极的角速度以达到改变单位时间内放电次数的效果，从而实现提高单位时间内水溶液处理体积。以及，也可以通过在圆筒形容器壁上增加放电端活动电极、导电端活动电极及其固定连接部分数量的方式，实现使得旋转电极在一个圆周运动周期内增加放电次数，以达到倍增单位时间内溶液处理效率的效果。

综上所述，本发明涉及一种利用直流源产生水中放电等离子体的装置及方法，以及采用该装置产生的等离子体处理工业废水的方法，该装置通过驱动轴驱动旋转电极做圆周运动，旋转电极在圆周运动的过程中与固定于固定模块上的至少两个活动电极分别重复分离-接触-分离过程，并在此过程中产生可用于降解溶液中有机物及灭杀有害微生物的等离子体。采用该装置产生等离子体，无需复杂的高压脉冲电源，所需直流源结构简单，易于工业化应用；并且由于该装置中旋转电极与放电端活动电极在一个运动周期中只有很短一段时间内产生电弧等离子体，相较于持续电弧放电方式能有效减轻电极烧蚀程度；该装置放电功率大，单位时间内能在被处理溶液中产生大量活性粒子及高强度紫外线，从而达到大量处理废水的目的，能够较好的达到水溶液处理的目的。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。