一種納秒高壓脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種納秒高壓脈沖放電等離子體協同二氧化鈦光催化處理印染廢水方法及裝置。利用無水乙醇、鈦酸正四丁酯、重蒸餾水、硝酸、稀鹽酸等制成溶膠，在放電噴嘴電極上均勻浸涂溶膠形成二氧化鈦薄膜，并經過馬弗爐燒結，利用脈沖放電過程中的紫外發光實現對二氧化鈦光催化劑的激發。添加二氧化鈦光催化劑可以增加對染料降解的OH自由基的數量，進而提高對染料廢水的處理效率；和把二氧化鈦如果直接投入到廢水中相比，把二氧化鈦鍍膜到放電極上，減少了廢水出來后的二氧化鈦回收環節；利用納秒脈沖放電過程的紫外發光激發二氧化鈦，不用額外增加二氧化鈦的激發光源。另外本裝置具有循環功能，可實現對染料廢水的循環處理。
【專利說明】一種納秒高壓脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢 水裝置及方法
[0001]
【技術領域】] 本發明涉及一種印染廢水處理裝置及方法，尤其涉及一種納秒高壓脈沖放電等離子體 協同二氧化鈦降解印染廢水裝置及方法。
[0002]
【背景技術】] 現有的利用脈沖放電等離子體對廢水進行處理的方法和技術中，大部分是將在氣體中 產生的· OH、0 ·等活性物質通入廢水中，活性物質將大分子物質分解或氧化。但是由于活 性物質· OH的存活時間比較短(一般為納秒級別)，還沒有和廢水大分子物質接觸就已轉變 成其他物質，從而導致處理效果比較低。
[0003] 另外現存的絕大多數的此類產品設備復雜、耗能較大、需要專業人員操作、處理廢 水的降解率低等問題限制了脈沖放電等離子體水處理產品的推廣。市場上的專業處理印染 廢水的設備很少，缺少循環系統和鼓氣系統以及鍍膜手段，或者說還沒有人將這些處理方 法綜合起來應用于印染廢水的處理上。
[0004]
【發明內容】
] 本發明所要解決的技術問題就是提出一種負高壓脈沖放電等離子體廢水處理裝置，該 裝置可以有效降解水中的大分子有機物。
[0005] 本發明脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水處理裝置的技術解決方案 為： 一種脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，包括負高壓脈沖電源控制 器、高壓脈沖電源、數字存儲示波器、反應器、高壓探頭、電流探頭、空氣泵、蠕動泵，其中負 高壓脈沖電源控制器通過電纜線控制高壓脈沖電源的電壓及頻率；高壓探頭和電流探頭通 過導線測量放電時反應器的電壓和電流，然后通過導線將電壓、電流信號通過導線傳送到 數字存儲示波器，數字存儲示波器將電壓、電流波形顯示出來并將數據保存，以供備用；空 氣壓縮泵通過軟管將空氣經由底板中心的孔鼓入反應器，從而在等離子體發生區形成大量 氣泡；蠕動泵通過軟管與反應器、容器連接；所述的反應器是柱形結構，其筒壁由機玻璃做 成，筒壁的上面為上蓋，六個噴嘴的頂端固定在上蓋，噴嘴由六根不銹鋼毛細管組成，六個 噴嘴頂端在上蓋等間距的排列成環形，通過環形銅線將噴嘴連接至脈沖電源的負高壓端； 反應器內部的底部是底板，緊貼著底板的上面是不銹鋼金屬圓板，金屬圓板上有兩個環形 帶的小孔，外部的空氣經過筒壁上的進氣孔通入金屬圓板中，這樣在放電過程中噴嘴下的 方會產生大量的小氣泡，從而形成氣液兩相脈沖放電，有利于產生更多活性物質，如· 0H、 〇 ·等；金屬板經底板中心的圓孔與地極相連，筒壁上分別有進水口和出水口；進水口通過 軟管與蠕動泵輸出相連接，出水口與另一容器相連。現有技術在處理印染廢水時，通常是把 二氧化鈦直接投入到印染廢水中。為了減少了印染廢水出來后的二氧化鈦回收環節，本發 明脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置的噴嘴的電極采用浸漬-提拉法經 過稀鹽酸酸洗過又晾干，其上均勻涂上二氧化鈦薄膜，所述二氧化鈦薄膜采用溶膠-凝膠 法獲取，將無水乙醇、鈦酸正四丁酯、重蒸餾水、硝酸按一定比例混合成溶膠。為了達到更佳 的處理效果，本發明脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水處理裝置的反應器的出 水口通過軟管與蠕動泵的輸入端連接，入水口通過軟管與蠕動泵的輸出端連接，并且蠕動 泵的流速可根據需要調節。
[0006] 本發明的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，反應器的六個噴嘴 相鄰兩兩之間成60°，以達到互相配合的效果。為了使反應器的效果達到最佳，反應器尺寸 設計為筒高150 mm，內徑45 mm,壁厚5 mm,噴嘴長80 mm,外徑1.6 mm,上蓋厚15 mm,底板 100 mm*100 mm*5 _，出水口距離底板上方30 mm，進水口和出氣孔距離上蓋下方30 mm。
[0007] 本發明同時提供了一種二氧化鈦薄膜的制作方法，用于本發明的脈沖放電等離子 體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，其噴嘴的鍍膜步驟如下： 一、 將10 ml鈦酸正四丁酯(分析純)在劇烈攪拌下滴入30 ml無水乙醇中，經過10-20 min攪拌，得到均勻淡黃色透明第一溶液； 二、 將5 ml重蒸餾水和10 ml無水乙醇(分析純）配成的溶液于劇烈攪拌下加入15滴 硝酸(分析純)，得pH=3的第二溶液； 三、 劇烈攪拌下將第一溶液以1滴/秒的速率滴入第二溶液中，得均勻透明的溶膠，繼 續攪拌，得半透明的濕溶膠； 四、 在距離噴嘴低端0.5 cm處鍍長度為1.0 cm的薄膜，然后空氣中晾干后放入馬弗爐 中，以5°C/秒的速率升到450 °e，高溫烘烤2個小時，等到自然冷卻后取出。
[0008] 進一步的，為了使得本發明的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝 置發揮最佳效果，本發明還提供了使用所述裝置的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印 染廢水方法，電源脈沖峰值電壓為0-60 kV，脈沖上升時間0-200納秒，脈沖寬度0-500納 秒，脈沖放電重復頻率0-150赫茲；將負高壓脈沖通過電纜線與反應器的噴嘴相連接，使 其在地極與噴嘴之間的空間中發生脈沖電暈放電，形成等離子體發生區域，產生非平衡等 離子體；將待處理廢水加入到反應器中，通過放電產生的多種活性物質、紫外線、高速電子、 沖擊波等對廢水進行綜合處理。
[0009][【專利附圖】
【附圖說明】] 圖1為本發明系統結構框圖。
[0010] 圖2為反應器的結構示意圖。
[0011] 圖3為反應器的筒壁及底板。
[0012] 圖4為反應器的上蓋及噴嘴。
[0013] 附圖標記說明： 圖1中，1是負高壓脈沖電源控制器，2是高壓脈沖電源，3是數字存儲示波器，4是反應 器，5是高壓探頭，6是電流探頭，7是空氣壓縮泵，8是蠕動泵；圖2中，11是噴嘴，12是銅 導線，13是上蓋，14是筒壁，15是進水口，16是出氣孔，17是出水口，18是底板，19是支架； 圖3中，21是氣孔，22是地極板引線；圖4中，31是負1?壓線，11是噴嘴，1 3是上蓋。
[0014] [【具體實施方式】] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步說明。
[0015] 如圖1所示，本發明的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，包括 負高壓脈沖電源控制器、高壓脈沖電源、數字存儲示波器、反應器、高壓探頭、電流探頭、空 氣泵、蠕動泵，其中負高壓脈沖電源控制器通過電纜線控制高壓脈沖電源的電壓及頻率；高 壓探頭和電流探頭通過導線測量放電時反應器的電壓和電流，然后通過導線將電壓、電流 信號通過導線傳送到數字存儲示波器，數字存儲示波器將電壓、電流波形顯示出來并將數 據保存，以供備用；空氣壓縮泵通過軟管將空氣經由底板中心的孔鼓入反應器，從而在等離 子體發生區形成大量氣泡；蠕動泵通過軟管與反應器、容器連接。本發明的脈沖放電等離子 體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，反應器的六個噴嘴相鄰兩兩之間成60°，以達到互相配 合的效果。為了使反應器的效果達到最佳，反應器尺寸設計為筒高150 _，內徑45 _，壁 厚5 _，噴嘴長80 _，外徑1.6 _，上蓋厚15 _，底板100 mm*100 mm*5 _，出水口距離 底板上方30 mm，進水口和出氣孔距離上蓋下方30 mm。為了達到更佳的處理效果，本發明 脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水處理裝置的反應器的出水口通過軟管與蠕 動泵的輸入端連接，入水口通過軟管與蠕動泵的輸出端連接，并且蠕動泵的流速可根據需 要調節。
[0016] 如圖2-4所示，反應器是柱形結構，其筒壁由機玻璃做成，筒壁的上面為上蓋，六 個噴嘴的頂端固定在上蓋，噴嘴由六根不銹鋼毛細管組成，六個噴嘴頂端在上蓋等間距的 排列成環形，通過環形的銅導線將噴嘴連接至脈沖電源的負高壓端；反應器內部的底部是 底板，緊貼著底板的上面是不銹鋼金屬圓板，金屬圓板上有兩個環形帶的小孔，外部的空氣 經過筒壁上的進氣孔通入金屬圓板中，這樣在放電過程中噴嘴下的方會產生大量的小氣 泡，從而形成氣液兩相脈沖放電，有利于產生更多活性物質，如· 〇H、〇 ·等；金屬板經底板中 心的圓孔與地極相連，筒壁上分別有進水口和出水口；進水口通過軟管與蠕動泵輸出相連 接，出水口與另一容器相連。
[0017] 現有技術在處理印染廢水時，通常是把二氧化鈦直接投入到印染廢水中。為了減 少了印染廢水出來后的二氧化鈦回收環節，本發明脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印 染廢水裝置的噴嘴的電極采用浸漬-提拉法經過稀鹽酸酸洗過又晾干，其上均勻涂上二氧 化鈦薄膜，所述二氧化鈦薄膜采用溶膠-凝膠法獲取，將無水乙醇、鈦酸正四丁酯、重蒸餾 水、硝酸按一定比例混合成溶膠。
[0018] 本發明同時提供了一種二氧化鈦薄膜的制作方法，用于本發明的脈沖放電等離子 體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，其噴嘴的鍍膜步驟如下： 一、 將10 ml鈦酸正四丁酯(分析純)在劇烈攪拌下滴入30 ml無水乙醇中，經過10-20 min攪拌，得到均勻淡黃色透明第一溶液； 二、 將5 ml重蒸餾水和10 ml無水乙醇(分析純）配成的溶液于劇烈攪拌下加入15滴 硝酸(分析純)，得pH=3的第二溶液； 三、 劇烈攪拌下將第一溶液以1滴/秒的速率滴入第二溶液中，得均勻透明的溶膠，繼 續攪拌，得半透明的濕溶膠； 四、 在距離噴嘴低端0.5 cm處鍍長度為1.0 cm的薄膜，然后空氣中晾干后放入馬弗爐 中，以5°C/秒的速率升到450 °e，高溫烘烤2個小時，等到自然冷卻后取出。
[0019] 為了進一步理解本發明，以下繼續提供以下的實施例： 實施例1 : 本實例中將反應器的出水口通過軟管與蠕動泵的輸入端連接，入水口通過軟管與蠕動 泵的輸出端連接。
[0020] 利用溶膠-凝膠法在噴嘴底端鍍長為10 mm的二氧化鈦薄膜，其鍍膜步驟如下： 一、將10 ml鈦酸正四丁酯在劇烈攪拌下滴入30 ml無水乙醇中，經過10 min攪拌，得 到均勻淡黃色透明第一溶液。
[0021] 二、將5 ml重蒸餾水和10 ml無水乙醇配成的溶液于劇烈攪拌下加入15滴硝酸， 得pH=3的第二溶液。
[0022] 三、劇烈攪拌下將第一溶液以1滴/秒的速率滴入第二溶液中，得均勻透明的溶 膠，繼續攪拌，得半透明的濕溶膠。
[0023] 四、在距離噴嘴低端0. 5 cm處鍍長度為I. 0 cm的薄膜，然后空氣中晾干后放入馬 弗爐中，以5°C/秒的速率升到450 &后，高溫烘烤2個小時，等到自然冷卻后取出。
[0024] 將噴嘴固定在上蓋，裝好。向反應器加入酸性橙 11(10 mg/L) 380 ml;打開空氣壓縮泵，通過氣體流量計調節通入反應器的流速，設定速率 80 ml/min;懦動泵循環速率250 ml/min;高壓電源控制臺的負高壓38 kV，頻率50 Hz,高 壓脈沖放電開始，經過30 min，放電結束。取處理后的溶液30 ml，采用紫外可見光分光光 度計測量其吸光度(在481 nm處達到最大吸收波長，較好的符合郎伯-比爾定律)，經計算 處理后的酸性橙II降解率達63. 19%。
[0025] 實施例2 : 將反應器的出水口通過軟管燒杯或者其他容器相連，入水口通過軟管與裝有大量印染 廢水的容器相連。鍍膜方式、放電條件等與實施例1完全一樣。此方式可以持續地批量處 理印染廢水，處理過程中不需要工作人員進行其他的操作，可以節省大量的人工成本。
[0026] 實施例3 :本實例中將反應器的出水口通過軟管與蠕動泵的輸入端連接，入水口 通過軟管與蠕動泵的輸出端連接。
[0027] 利用溶膠-凝膠法在噴嘴底端鍍長為10 _的二氧化鈦薄膜，采用另一藥品配比 方式。其鍍膜步驟如下： 一、將10 ml鈦酸正四丁酯在劇烈攪拌下滴入30 ml無水乙醇中，經過10 min攪拌，得 到均勻淡黃色透明第一溶液。
[0028] 二、將10 ml重蒸餾水和20 ml無水乙醇配成的溶液于劇烈攪拌下加入20滴硝酸， 得pH=3的第二溶液。
[0029] 三、劇烈攪拌下將第一溶液以1滴/秒的速率滴入第二溶液中，得均勻透明的溶 膠，繼續攪拌，得半透明的濕溶膠。
[0030] 四、在距離噴嘴低端0. 5 cm處鍍長度為I. 0 cm的薄膜，然后空氣中晾干后放入馬 弗爐中，以5°C/秒的速率升到450 &后，高溫烘烤2個小時，等到自然冷卻后取出。
[0031] 將噴嘴固定在上蓋，裝好。向反應器加入酸性橙11(10 mg/L)380 ml ;打開空氣壓 縮泵，通過氣體流量計調節通入反應器的流速，設定速率80 ml/min ;蠕動泵循環速率250 ml/min;高壓電源控制臺的負高壓38 kV，頻率50 Hz,高壓脈沖放電開始，經過30 min,放 電結束。取處理后的溶液30 ml，采用紫外可見光分光光度計測量其吸光度(在481 nm處達 到最大吸收波長，較好的符合郎伯-比爾定律)，經計算處理后的酸性橙II降解率達62. 68%。
[0032] 實施例4 :本實施例中采用與實施例1完全一樣的裝置連接方式、鍍膜方式，鼓氣 速率與循環速率也一致。本實施例中改變初始酸性橙II的濃度。
[0033] 向反應器加入酸性橙II (20 mg/L)380 ml ;打開空氣壓縮泵，通過氣體流量計調節 通入反應器的流速，設定速率80 ml/min;懦動泵循環速率250 ml/min;高壓電源控制臺的 負高壓38 kV，頻率50 Hz，高壓脈沖放電開始，經過30 min，放電結束。取處理后的溶液30 ml，采用紫外可見光分光光度計測量其吸光度(在481 nm處達到最大吸收波長，較好的符合 郎伯-比爾定律)，經計算處理后的酸性橙Il降解率達55. 37%。
[0034] 實施例5 :本實施例中采用與實施例1完全一樣的裝置連接方式、鍍膜方式。在此 實施例中改變鼓氣速率與循環速率。
[0035] 向反應器加入酸性橙II (10 mg/L)380 ml ;打開空氣壓縮泵，通過氣體流量計調節 通入反應器的流速，設定速率100 ml/min;懦動泵循環速率300 ml/min;高壓電源控制臺 的負高壓38 kV，頻率50 Hz，高壓脈沖放電開始，經過30 min，放電結束。取處理后的溶液 30 ml，采用紫外可見光分光光度計測量其吸光度(在481 nm處達到最大吸收波長，較好的 符合郎伯-比爾定律)，經計算處理后的酸性橙Π 降解率達64. 02%。
[0036] 實施例6 :本實施例中采用與實施例1完全一樣的裝置連接方式、鍍膜方式，鼓氣 速率與循環速率也一致。本實施例中改變負高壓脈沖電壓。
[0037] 向反應器加入酸性橙II (10 mg/L)380 ml ;打開空氣壓縮泵，通過氣體流量計調節 通入反應器的流速，設定速率100 ml/min;懦動泵循環速率300 ml/min;高壓電源控制臺 的負高壓40 kV，頻率50 Hz，高壓脈沖放電開始，經過30 min，放電結束。取處理后的溶液 30 ml，采用紫外可見光分光光度計測量其吸光度(在481 nm處達到最大吸收波長，較好的 符合郎伯-比爾定律)，經計算處理后的酸性橙II降解率達67.09%。
[0038] 實施例7 :本實施例中采用與實施例1完全一樣的裝置連接方式、鍍膜方式，鼓氣 速率與循環速率也一致。本實施例中改變脈沖放電的時間。
[0039] 向反應器加入酸性橙Π (10 mg/L)380 ml ;打開空氣壓縮泵，通過氣體流量計調節 通入反應器的流速，設定速率100 ml/min;懦動泵循環速率300 ml/min;高壓電源控制臺 的負高壓40 kV，頻率50 Hz，高壓脈沖放電開始，經過60 min，放電結束。取處理后的溶液 30 ml，采用紫外可見光分光光度計測量其吸光度(在481 nm處達到最大吸收波長，較好的 符合郎伯-比爾定律)，經計算處理后的酸性橙II降解率達70.56%。
[0040] 本發明并不受上述實施方式的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理 下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范 圍之內。
【權利要求】
1. 一種脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，包括負高壓脈沖電源控制 器、高壓脈沖電源、數字存儲示波器、反應器、高壓探頭、電流探頭、空氣泵、蠕動泵，其特征 為：所述負高壓脈沖電源控制器通過電纜線控制高壓脈沖電源的電壓及頻率；高壓探頭和 電流探頭通過導線測量放電時反應器的電壓和電流，然后通過導線將電壓、電流信號通過 導線傳送到數字存儲示波器，數字存儲示波器將電壓、電流波形顯示出來并將數據保存，以 供備用；空氣壓縮泵通過軟管將空氣經由底板中心的孔鼓入反應器，從而在等離子體發生 區形成大量氣泡；蠕動泵通過軟管與反應器、容器連接；所述的反應器是柱形結構，其筒壁 由機玻璃做成，筒壁的上面為上蓋，六個噴嘴的頂端固定在上蓋，噴嘴由六根不銹鋼毛細管 組成，六個噴嘴頂端在上蓋等間距的排列成環形，通過環形銅線將噴嘴連接至脈沖電源的 負高壓端；反應器內部的底部是底板，緊貼著底板的上面是不銹鋼金屬圓板，金屬圓板上有 兩個環形帶的小孔，外部的空氣經過筒壁上的進氣孔通入金屬圓板中，這樣在放電過程中 噴嘴下的方會產生大量的小氣泡，從而形成氣液兩相脈沖放電，有利于產生更多活性物質， 如? 0H、0 ?等；金屬板經底板中心的圓孔與地極相連，筒壁上分別有進水口和出水口；進水 口通過軟管與蠕動泵輸出相連接，出水口與另一容器相連；所述噴嘴的電極采用浸漬-提 拉法經過稀鹽酸酸洗過又晾干，其上均勻涂上二氧化鈦薄膜，所述二氧化鈦薄膜采用溶 膠-凝膠法獲取，將無水乙醇、鈦酸正四丁酯、重蒸餾水、硝酸按一定比例混合成溶膠。
2. 如權利要求1所述的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，其特征 為，所述反應器的出水口通過軟管與蠕動泵的輸入端連接，入水口通過軟管與蠕動泵的輸 出端連接，并且蠕動泵的流速可根據需要調節。
3. 如權利要求1所述的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，其特征 為，所述六個噴嘴相鄰兩兩之間成60°。
4. 如權利要求2所述的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，其特征 為，所述六個噴嘴相鄰兩兩之間成60°。
5. 如權利要求1-4所述的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝置，其特征 為，所述反應器尺寸為筒高150 mm,內徑45 mm,壁厚5 mm,噴嘴長80 mm,外徑1.6 mm,上蓋 厚15 mm,底板100 mm*100 mm*5 mm,出水口距離底板上方30 mm,進水口和出氣孔距離上蓋 下方30 mm。
6. -種二氧化鈦薄膜的制作方法，用于如權利要求1-5所述的脈沖放電等離子體協同 二氧化鈦降解印染廢水裝置，其噴嘴的鍍膜步驟如下： 一、 將10 ml鈦酸正四丁酯(分析純)在劇烈攪拌下滴入30 ml無水乙醇中，經過10-20 min攪拌，得到均勻淡黃色透明第一溶液； 二、 將5 ml重蒸餾水和10 ml無水乙醇(分析純）配成的溶液于劇烈攪拌下加入15滴 硝酸(分析純)，得pH=3的第二溶液； 三、 劇烈攪拌下將第一溶液以1滴/秒的速率滴入第二溶液中，得均勻透明的溶膠，繼 續攪拌，得半透明的濕溶膠； 四、 在距離噴嘴低端0.5 cm處鍍長度為1.0 cm的薄膜，然后空氣中晾干后放入馬弗爐 中，以5°C/秒的速率升到450 °e，高溫烘烤2個小時，等到自然冷卻后取出。
7. -種使用如權利要求1-5所述的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水裝 置的脈沖放電等離子體協同二氧化鈦降解印染廢水方法，其特征為，其電源脈沖峰值電壓 為0-60 kV，脈沖上升時間0-200納秒，脈沖寬度0-500納秒，脈沖放電重復頻率0-150赫 茲；將負高壓脈沖通過電纜線與反應器的噴嘴相連接，使其在地極與噴嘴之間的空間中發 生脈沖電暈放電，形成等離子體發生區域，產生非平衡等離子體；將待處理廢水加入到反應 器中，通過放電產生的多種活性物質、紫外線、高速電子、沖擊波等對廢水進行綜合處理。
【文檔編號】C02F1/32GK104445507SQ201410744623
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優先權日:2014年12月9日
【發明者】孫明, 金宏力, 代存峰, 楊顏顏 申請人:上海海事大學