一种基于光导开关的低温等离子体污水处理装置

技术领域

本发明属于低温等离子体领域，具体涉及一种基于光导开关的低温等离子体污水处理装置。

背景技术

水是生命之源，水资源作为一种不可再生资源，理应得到人们的保护。目前水污染主要有：生活污染、工业污染和农业污染三个方面，其中，工业污染的问题尤为突出。工业污水具有三个特点，一是污染物种类多，主要是染料废水和药业废水；二是许多污染物是高分子有机物，难以用传统的方式处理；三是治理成本高，这就导致许多中小企业没有经济能力对产生的废水进行有效处理，更甚者未处理就直接排放到江河中，对水资源造成极其恶劣的影响。

目前常规的污水处理方式有物理吸附法、化学法和生物法等，但上述方法均存在成本高、速度慢和降解率低等问题。基于脉冲功率技术的高压脉冲等离子体氧化法作为一种新兴的污水处理技术，凭借速度快、重复性高和无二次污染等优点，具有广阔的应用前景。

但由于技术方面的限制，目前放电设备产生等离子体的效率并不高，导致能量利用率较低，目前尚在研究阶段。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种基于光导开关的低温等离子体污水处理装置。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于光导开关的低温等离子体污水处理装置，包括：光路系统和基于光导开关的N级Marx发生器；

基于光导开关的N级Marx发生器包括：储能单元、限流隔离单元、光导开关单元以及污水反应器；

光路系统，用于控制光导开关单元的通断；

储能单元，用于储存能量并在光导开关单元导通时向污水反应器释放能量；

限流隔离单元，用于隔离储能单元向污水反应器释放能量过程中所产生的电路回流；

光导开关单元，用于受光路系统的控制导通或关断，从而控制控制储能单元释放能量或储存能量；

污水反应器，用于在储能单元的能量作用下和污水产生辐射和氧化反应，以对污水中的有机污染物进行降解。

可选地，光路系统包括：激光器、N-1个折射镜以及反射镜。

可选地，基于光导开关的N级Marx发生器还包括：高压直流电源；

高压直流电源与限流隔离单元连接。

可选地，基于光导开关的N级Marx发生器包括：2N个电阻、N个电容以及N个光导开关；其中N为大于等于1的整数。

可选地，当N为2时，储能单元包括：第一电容和第二电容；

限流隔离单元包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻；

光导开关单元包括：第一光导开关和第二光导开关；

高压直流电源的第一端与第一电阻的第一端连接，高压直流电源的第二端与第二电阻的第一端、第一光导开关的第一端、污水反应器的第一端以及地线连接；

第一光导开关的第二端与第一电阻的第二端、第一电容的第一端以及第三电阻的第一端相连；

第二电阻的第二端与第一电容的第二端、第四电阻的第一端以及第二光导开关的第一端连接；

第二电容的第一端与第三电阻的第二端以及第二光导开关的第二端相连；

污水反应器的第二端与第四电阻的第二端以及第二电容的第二端连接。

可选地，高压直流电源的总功率为6kV，输出电压为0-70kV。

可选地，第一光导开关和第二光导开关为4H-SiC光导开关。

可选地，污水反应器为单针板电极，单针板电极的间距为0.5cm。

可选地，第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻为高压无感玻璃釉电阻。

本发明提供的一种基于光导开关的低温等离子体污水处理装置，包括：光路系统和基于光导开关的N级Marx发生器；基于光导开关的N级Marx发生器包括：储能单元、限流隔离单元、光导开关单元以及污水反应器；光路系统，用于控制光导开关单元的通断；储能单元，用于储存能量并在光导开关单元导通时向污水反应器释放能量；限流隔离单元，用于隔离储能单元向污水反应器释放能量过程中所产生的电路回流；光导开关单元，用于受光路系统的控制导通或关断，从而控制控制储能单元释放能量或储存能量；污水反应器，用于在储能单元的能量作用下和污水产生辐射和氧化反应，以对污水中的有机污染物进行降解。在本发明中，基于光导开关的响应时间短、重复频率高、功率密度高、损耗小和触发抖动低的特点，使得储能单元在光导开关的作用下产生高重复频率的高压脉冲，在高压脉冲的作用下，提升了污水反应器中的等离子体的产生效率和能量利用率，进而提高了工业污水的降解率。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光路系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于光导开关的低温等离子体污水处理装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光导开关的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

低温等离子体凭借整体温度低但局部能量高的特点，被应用于废水处理中，因为热辐射少，放电产生的能量均用于处理污水，能量利用率高。

基于脉冲功率技术的高压放电等离子氧化法是一种新的污水处理方式，主要针对的是使用传统污水处理方式无法处理的难降解型大分子有机物，不需要任何催化剂以及高温高压等苛刻条件，集化学氧化法、光催化氧化法和湿法氧化法等高级氧化法于一体。通常主要关注污水处理后的pH、CODCr(化学需氧量)、氨氮、总氮、总磷、TDS(溶解性总固体)等参数，这些参数采用的检测方法也有所不同。

为了提高工业污水的降解率，本发明实施例提供了一种基于光导开关的低温等离子体污水处理装置，包括：

光路系统和基于光导开关的N级Marx发生器；

基于光导开关的N级Marx发生器包括：储能单元、限流隔离单元、光导开关单元以及污水反应器；

光路系统，用于控制光导开关单元的通断；

储能单元，用于储存能量并在光导开关单元导通时向污水反应器释放能量；

限流隔离单元，用于隔离储能单元向污水反应器释放能量过程中所产生的电路回流；

光导开关单元，用于受光路系统的控制导通或关断，从而控制控制储能单元释放能量或储存能量；

污水反应器，用于在储能单元的能量作用下和污水产生辐射和氧化反应，以对污水中的有机污染物进行降解。

本发明实施例提供的一种基于光导开关的低温等离子体污水处理装置，包括：光路系统和基于光导开关的N级Marx发生器；基于光导开关的N级Marx发生器包括：储能单元、限流隔离单元、光导开关单元以及污水反应器；光路系统，用于控制光导开关单元的通断；储能单元，用于储存能量并在光导开关单元导通时向污水反应器释放能量；限流隔离单元，用于隔离储能单元向污水反应器释放能量过程中所产生的电路回流；光导开关单元，用于受光路系统的控制导通或关断，从而控制控制储能单元释放能量或储存能量；污水反应器，用于在储能单元的能量作用下和污水产生辐射和氧化反应，以对污水中的有机污染物进行降解。在本发明实施例中，基于光导开关的响应时间短、重复频率高、功率密度高、损耗小和触发抖动低的特点，使得储能单元在光导开关的作用下产生高重复频率的高压脉冲，在高压脉冲的作用下，提升了污水反应器中的等离子体的产生效率和能量利用率，进而提高了工业污水的降解率。

可选地，光路系统包括：激光器、N-1个折射镜以及反射镜。

为了示意本发明实施例提供的光路系统的结构，图1为本发明实施例提供的光路系统的结构示意图。如图1所示，光路系统包括：一个激光器、N-1个折射镜以及一个反射镜。进一步地，折射镜和反射镜的总数量与光导开关PCSS的数量相等。折射镜1与PCSS

可选地，基于光导开关的N级Marx发生器还包括：高压直流电源；

高压直流电源与限流隔离单元连接。

在本发明实施例中，高压直流电源与市电网相接，用于将工频交流电转换为直流电。

可选地，基于光导开关的N级Marx发生器包括：2N个电阻、N个电容以及N个光导开关；其中N为大于等于1的整数。

图2为本发明实施例提供的基于光导开关的低温等离子体污水处理装置的结构示意图，为了具体示意，本发明实施例中的N级Marx发生器的N为2。

可选地，当N为2时，储能单元包括：第一电容C

限流隔离单元包括：第一电阻R

光导开关单元包括：第一光导开关PCSS

高压直流电源DC的第一端与第一电阻R

第一光导开关PCSS

第二电阻R

第二电容C

污水反应器的第二端与第四电阻R

可选地，如图2所示，污水反应器的两端还可以连接示波器。具体原因在于，N级Marx发生器是一种升压电路，所以要通过示波器观察是否完成升压目标，具体地，可以在测量污水时关注电压值和上升沿。示波器通过高压探头连接在污水反应器的两端，在单次激光触发后可以利用示波器得到施加在污水反应器上的电压时域波形，并通过探头测量电压峰值。

需要说明的是，参照图2，当N级Marx发生器的N为3时，可以对应向右侧增加一部分R

可选地，高压直流电源的总功率为6kV，输出电压为0-70kV。

可选地，第一光导开关和第二光导开关为4H-SiC光导开关。

可选地，污水反应器为单针板电极，单针板电极的间距为0.5cm。

可选地，第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻为高压无感玻璃釉电阻。

为了具体说明本发明实施例提供的基于光导开关的低温等离子体污水处理装置，本发明实施例以土霉素废水的处理过程为例进行说明。

土霉素的化学式为C

在本发明实施例中，N级Marx发生器为1级，限流隔离单元为两个100kΩ高压无感玻璃釉电阻串联；储能单元为一个18nF高压陶瓷电容；高压直流电源的总功率为6kV，输出电压为0-70kV。

需要说明的是，电路连接采用铜片实现，用以降低寄生效应。

可选地，在本实施例中，光导开关衬底采用4H-SiC材料，尺寸为10mm×10mm，厚度为500μm，电极结构为异面对置电极光导开关结构，电极横向间距为3.5mm，但并不限制于此。如图3所示，为本发明实施例提供的光导开关的结构示意图，如图3的(a)图所示，为本发明实施例提供的光导开关的俯视图，如图3的(b)图所示，为本发明实施例提供的光导开关的主视图。

在本实施例中，激光器为Nd:YAG激光器，包括但不限于此种激光器，激光光斑直径为7mm左右，能量为180mJ。污水反应器采用单针板电极完成脉冲等离子体放电，针板电极的间距为0.5cm。

步骤1：实验准备

(1.1)连接线路，先将阻值为50kΩ的碳膜电阻作为负载接入电路中，再将高压直流电源的正负输出端接入电路中，暂不开启高压源；

(1.2)将N级Marx发生器放入盛满25#绝缘油的玻璃容器中，用以增大电路的耐压能力；

(1.3)完成激光和4H-SiC光导开关的光路对准。在激光护目镜的保护下，实验人员观察衬底表面的入射光斑并调整开关位置，激光的频率设置为1Hz，整个过程必须在尽可能短的时间内完成；

(1.4)使用光能量计测量光导开关附近激光能量，本实施例中采用的激光能量为165mJ；

(1.5)输入电压设置为300V，激光单次触发后通过示波器观察输出波形，有波形则说明电路可以正常导通，实验准备部分完毕。

步骤2：单次脉冲试验

选择输入偏压为3000V、5000V、7000V，测量碳膜电阻上的输出电压。该步骤的目的是在污水耐压范围内寻找尽可能大的输入偏压值，从而获得更好的降解效果。结果显示，输出电压大致为输入偏压的80％。

单次脉冲试验的意义在于：污水在电路中能够等效为一个可变电阻，在降解实验前，需要测量该可变电阻的耐压范围。

步骤3：土霉素废水降解实验

(3.1)更换负载，将50kΩ的碳膜电阻更换为盛有100mL土霉素废水的污水反应器；

(3.2)设置激光频率为10Hz，输入偏压为7000V，放电次数分别为3000次、9000次、12000次；

(3.3)对经过三种不同放电次数处理后以及原样的污水进行拉曼光谱测试，根据拉曼光谱上特征峰的位置和强度来初步定量分析污水中的物质成分，并将处理后的污水送出进行更加全面的测试，主要包括污水的pH、CODCr(化学需氧量)、总氮、TDS(溶解性总固体)等参数，进一步分析放电处理对污水的影响。

在本实施例中，土霉素废水在7kV电压下进行12000次放电处理后，将降解结果与处理前的原样进行对比分析：pH值从7.02变为7.11，可以基本忽略；CODCr含量由418mg/L变为102mg/L，下降了76％；总氮量由13.54mg/L变为5.69mg/L，下降了58％；TDS含量从1958g/L变为728g/L，下降了63％。可以看出，本实施例电路条件下的高压脉冲放电产生等离子体的降解方式，适用于土霉素废水处理，因此基于光导开关的低温等离子体污水处理装置获得了较好的降解效果。

需要说明的是，与常规的污水处理方式相比，本发明设计并搭建的一种基于光导开关的低温等离子体污水处理装置，光导开关的响应时间短(ps量级)、重复频率高(MHz)、功率密度高(MW量级)、损耗小和触发抖动低等优点，为其应用于工业污水处理提供了可能性。通过控制碳化硅光导开关的导通和断开转换来产生上升沿陡峭以及高重复频率的高压脉冲，利用电晕放电产生等离子体，这些等离子体在污水中会发生一系列复杂的物理和化学反应，包括UV辐射、超临界水氧化和高能电子辐射等，从而产生具有强氧化性的·OH，迅速对污水中的有机污染物进行降解，使其转化为小分子有机物或无机物。因此，本发明能够有效地提高对于工业污水的降解率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图以及公开内容，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在本发明的描述中，“包括”一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外,相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。