CN106587276A - 阴极微弧放电等离子体降解废水中有机物的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明以石墨为阳极，以金属钛或铌为阴极，共同浸入含有有机污染物的高盐废水中，并在阴阳极之间施加100V-700V的电压。由电流热效应产生的阴极表面气膜在临界电压下被击穿并产生微区电弧放电，在钛阴极附近产生活性粒子和强氧化性粒子。这些粒子与废水中有机污染物作用，将有机物氧化为水和二氧化碳等无污染小分子。同时，等离子体放电区的高温也将一部分有机物直接氧化成石墨颗粒。该方法使有机物降解效率得到了大幅度提升，同时电极成本低，电极损耗小，有利于大规模应用于废水处理。本发明还针对阴极微弧等离子体降解废水中有机污染物方法，提供了相应的阴极微弧等离子体降解有机废水的装置。装置包括高压电源、液相微弧等离子体放电反应器、铜制电极导线、螺旋式可调支柱、上挡板、阴极板、阳极板、反应器外壳、进水口和排水口。

Description

阴极微弧放电等离子体降解废水中有机物的方法及装置

技术领域

本发明属于环境污染处理领域，涉及一种阴极微弧放电液相等离子体快速降解有机废水的方法及处理装置。

背景技术

在工业生活产生的废水中，有机物是水体中主要污染源之一。除了物理吸附、化学分解、生物降解外，还可以利用高压极板间的等离子体放电现象降解废水中有机物。该方法将电极板放入废液池中，在极板间施加数万伏电压，极板间击穿瞬间产生的高密度等离子体，它与水反应产生多种基团和粒子，促进有机物的降解。

采用液相等离子体放电降解废水中的有机物是近年来的研究热点。该方法的属于液中放电，没有曝气装置，电压由数万伏降至数百伏。该方法具有效率高、污染小、操作方便等优点。目前，液相等离子体降解法主要集中在阳极放电。公开专利申请CN1583589A就是传统的阳极等离子体放电降解方式。在等离子体放电过程中，阳极附近会有大量·OH，·O，H₂O₂，O₃等强氧化活性粒子以及高能电子、紫外线，对目标物直接产生作用，将有机物氧化为容易降解的物质。但是处理后的溶液中依然含有大量有机物，不能直接排放，同时该方法的阳极损耗明显，阳极金属离子溶解到水体中还会造成二次污染。另外，阳极通常采用铂电极，电极成本很高，这阻碍了阳极等离子体放电降解方法的大规模推广应用。

液相等离子体放电分为电晕放电、辉光放电和弧光放电，其放电强度依次增强。电晕放电和辉光放电的等离子体属于低温等离子体，能量释放效率较低。弧光放电属于热等离子体，其等离子体温度在5000K以上，在等离子体区能激发出更多强氧化性粒子，作用于目标污染物，提高了降解效率。同时等离子体区的高温可以直接作用于有机污染物，瞬间将部分有机物碳化。液体中阳极表面发生氧化反应，形成绝缘氧化膜后容易实现阳极等离子体放电，但电极损耗大。而阴极微弧放电不容易实现，需要先形成气膜，再使气膜击穿放电。专利201510149567.X为电晕放电处理有机废水的方法，其放电较弱，并采用铂电极，处理效果还需要提高。利用阴极弧光放电现象进行液相等离子体降解有机污染物的方法还少有探索。

发明内容

针对以上不足，本发明以石墨为阳极，以价格较低的金属钛或铌为阴极，共同浸入含有有机污染物的高盐废水中。在阴、阳极之间施加几百伏的电压，由电流热效应产生的阴极表面气膜在临界电压下被击穿，发生弧光放电，大量微弧在电极表面移动，在阴极附近产生活性粒子和强氧化性粒子。这些粒子与废水中的有机物作用，将有机物氧化为水和二氧化碳等无污染小分子。同时，微弧等离子体放电区的高温也直接将一部分有机物氧化成石墨颗粒。该方法使有机物降解效率得到大幅度提升，同时采用的钛或铌电极成本远低于常用的铂电极，阴极放电的电极损耗也远小于阳极放电，避免电极本身对废水的二次污染。

本发明的目的是提供一种新型的废水中有机物快速降解方法及装置，把阴极微弧放电等离子体技术引入到有机物废水降解过程。降解效率高于现有的等离子体放电降解方法，并减少电极的损耗，降低电极成本，使该方法能够大规模应用于有机废水处理。

本发明是在微弧放电等离子体技术基础上提出的，本发明提出的技术方案如下：

一种阴极微弧放电等离子体降解废水中有机物的方法，包括以下步骤：

含有难降解有机物的废水经过机械过滤后，流入反应容器中。废水与电极直接接触，通入电流后，阴极极板附近的气膜击穿放电形成高温微弧等离子体放电区。产生的大量高能活性粒子进入废水中作用于有机物；同时等离子体放电区高温也直接分解有机物。

阳极极板为石墨，阴极极板为金属钛或铌。阴极和阳极间施加电压为100V-700V，阴极表面产生微弧等离子体放电，处理时间为10min-30min。。

废水中的电解质为常见强电解质，其阴离子包括Cl^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-等。有机污染物为苯酚、氯苯等各种有机物，特别是难降解的有机物。

针对上述处理方法，还提供了一种阴极微弧放电等离子体降解有机废水的装置，所述装置包括高压电源、液相微弧等离子体放电反应器、铜制电极导线、螺旋式可调支柱、上挡板、阴极板、阳极板、反应器外壳、进水口和排水口。

进一步优选技术方案为：所述的装置特征在于，包括一个液相微弧等离子体放电反应器，反应器有进水口和出水口，其特征在于，反应器内污水中设有电极，电极通过引线与外接电源相连，阳极为平板式/网式结构的一种，阴极为平板式。另外特征在于，所述螺旋式可调支柱为绝缘外壳，内部包裹导线。螺旋式可调支柱可以控制阴极极板与阳极间的距离。

本发明的优点在于：(1)相对于传统的电晕或辉光放电方法，本发明采用的弧光放电等离子体能量高，使降解速度大幅提高；(2)降解过程中不需要添加催化剂、氧化剂，不需要调节待处理液的pH值；(3)放电电极为阴极，大幅减小了电极的损耗，电极上几乎没有析出物，不会造成二次污染。(4)采用金属钛或铌阴极和石墨阳极，取代常用的铂电极，大幅度降低了成本，能够大规模应用。(5)本发明适合各种有机废水降解处理，特别是高浓度、难降解的有毒有害有机污染物。

附图说明

说明书附图1是一种阴极微弧放电等离子体降解废水中有机物的装置，包括：1高压电源，2反应器外壳，3阳极板，4进水口，5阴极板，6排水口，7上挡板，8螺旋式可调支柱，9有绝缘套的铜制电极导线。螺旋式可调支柱位于阴极和阳极上方，电极浸没在废水溶液中。整个装置固定在密闭反应器的绝缘底座上，外侧有废气排出装置。电极间距50-100mm。

说明书附图2是典型苯酚降解曲线，检测方法为高效液相色谱。图中显示，废水中苯酚浓度随放电时间逐渐降低。

本发明所述的阴极微弧放电等离子体降解有机废水的方法和装置可以起到以下作用：

在反应器的阴极极板附近，由电流热效应产生的电解液气膜在临界电压下被击穿，产生阴极微弧放电。阴极附近的水在高温等离子体冲击下，产生大量活性粒子及高能电子、紫外光等强氧化物质，它们作用于废水中的有机物，将其分解为水和二氧化碳等小分子物质。如下列反应式：

裂解：H₂O+e→OH·+H·+e (1)

电离：H₂O+e→2e+H₂O⁺ (2)

激发：H₂O+e→H₂O*+e (3)

H₂O*+H₂O→H₂O+H·+OH· (4)

H₂O*+H₂O→2H·+O·+H₂O (5)

另外，微弧等离子体放电区的高温也直接将一部分有机物氧化成石墨颗粒。

具体实施方式

下面通过实例进一步说明本发明，提供以下实施例，但不限于此。

实施例1

污染源1含有300mg/L的苯酚和0.45mol/L Na₂SO₄，将废水溶液引入反应器中，在高压电源提供的450V槽电压激发下，细板式钛阴极在气膜击穿后开始放电。经高效液相色谱检测，14分钟后，废水中的苯酚和中间产物降解完全。

实施例2

污染源2含有100mg/L的苯酚和0.05mol/L KCl，将废水溶液引入反应器中，在高压电源提供的340V槽电压激发下，细板式钛阴极在气膜击穿后开始放电。18分钟后，废水中的苯酚和中间产物降解完全(实验结果如图2所示)。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.阴极微弧放电等离子体降解废水中有机物的方法，其特征在于，包含以下几个步骤：待处理废水经过机械过滤后，流入反应容器中。废水与电极直接接触，通入电流后，阴极极板附近的气膜击穿形成高温微弧等离子体放电区，产生的大量高能活性粒子进入废水中作用于有机物；同时等离子体放电区高温也直接促进有机物分解。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于阳极极板为石墨，阴极极板为金属钛或铌。阴极和阳极间施加电压为100V-700V，阴极表面产生微弧等离子体放电。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于废水中的电解质为常见强电解质，其阴离子包括Cl^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-等。有机污染物为苯酚、氯苯等各种有机物，特别是难降解有毒的有机物。

4.一种应用权利要求1所述的阴极微弧放电等离子体降解废水中有机物方法的水处理装置，其特征在于，所述装置包括高压电源、液相微弧等离子体放电反应器、铜制电极导线、螺旋式可调支柱、上挡板、阴极板、阳极板、反应器外壳、进水口和排水口。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，包括一个液相微弧等离子体放电反应器，反应器有进水口和出水口，其特征在于，反应器内污水中设有电极，电极通过引线与外接电源相连，阳极为平板式/网式结构的一种，阴极为平板式。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述螺旋式可调支柱为绝缘外壳，内部包裹导线。螺旋式可调支柱可以控制阴极极板与阳极间的距离。