负电晕放电等离子体雾化水处理器的设计

孙明,蔡丽俊,闵静

(上海海事大学静电研究所,上海 200135)

负电晕放电等离子体雾化水处理器的设计

孙明,蔡丽俊,闵静

(上海海事大学静电研究所,上海 200135)

为提高放电等离子体技术脱除水中污染物的效率,设计了一种采用负电晕放电方式的水处理装置:待处理水自放电喷嘴电极进入放电反应室,经放电雾化形成小液滴,大大增加了放电等离子体对水中污染物的作用几率.研究了不同喷嘴电极直径和雾化水流量对该处理器电气特性的影响,并对放电等离子体进行了发射光谱的测量.

放电等离子体;负电晕放电;雾化

高压放电过程中生成的放电等离子体含有具有强氧化性的羟基(OH)、氧原子(O)、臭氧(O3)、过氧化氢(H2O2)等活性物种,可与多种物质发生反应,已被广泛研究应用于水处理中的杀菌、脱色、分解或转化有毒物质等[1-4].采用放电技术对水净化处理的设备结构主要分为:始于20世纪90年代将放电极置于水面上;近年来多采用的放电极置于待处理的水中;以及将高压放电过程中产生的放电等离子体通过曝气形式加入待处理水等形式.[5-7].放电等离子体对水中污染物的作用从只作用于水的表面,到可作用于放电电极周围区域,再到可大面积与待处理水接触,作用范围逐步增大,处理效果逐步得到改善.但众所周知,放电等离子体所含有的活性物种的寿命很短,以OH自由基为例,仅为10-7s,并且在扩散过程中会由于自身从激发态向基态的退激,或者与其他粒子的碰撞而迅速消失[8].为了使放电过程所生成的活性物种能够更有效、充分地作用于水中污染物,本文提出使待处理水从喷嘴放电极进入处理室的设备结构.在强静电场力和表面张力的作用下,待处理水被雾化成小液滴,自放电反应空间通过,大大增加了放电过程对水中污染物的作用效果.

1 实验装置和方法

放电等离子体雾化水处理系统主要由放电雾化单元、处理室和储水池组成.实验装置如图1所示.

图1 放电雾化水处理实验装置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup of atom ization water in discharge

如图1所示,待处理水自喷嘴金属放电电极雾化喷出,在不锈钢材料的接地处理室中通过,进入储水池,由水泵将储水池中的水送到处理室顶端位置,经绝缘接头进入和放电喷嘴相连的外套绝缘材料制成的金属进水管,开始新的循环.待处理水自喷嘴放电极喷出,在强电场力和表面张力的作用下,被雾化,以小液滴的形式分布在放电反应空间,这样大大增加了表面积,从而使水中污染物和放电等离子体作用的几率显著增加;放电等离子体的寿命很短,而所生成的浓度自放电极向其周围空间逐渐降低,在放电极附近的浓度最高,使待处理水从放电等离子体浓度最高的放电极经过,大大增加了放电等离子体对水中污染物作用的几率,增强了放电等离子体对水中污染物作用的效果.

图1中处理室5是由不锈钢材料等金属材料制成的圆柱体,内径为70 mm,高250 mm.处理室的出水管9由不绣钢等金属材料制成,内径为60 mm,长30 mm.绝缘套管2由聚四氟乙烯等绝缘材料制成,内径80 mm,长100 mm.进水管7由金属材料制成内径60 mm,长160 mm.放电雾化喷嘴电极3由不锈钢等耐腐蚀的金属材料制成,储水池10材料可由不绣钢或玻璃等材料制成,直径100 mm,高50 mm.

2 装置特性和讨论

对放电喷嘴电极提供-30～0 kV的负高压,对装置工作状态下的放电电压和放电电流实时测量.同时设定经放电电极雾化的水的不同流量.在雾化水流量为2 m L/min时,改变放电喷嘴电极的外直径(Ф)从1.6 mm到3.5 mm,得到不同喷嘴电极直径下,水处理器的放电电流绝对值和外加负高压绝对值的关系如图2所示.由图2可见,当为放电喷嘴电极提供负高压时,放电起晕电压约在-7 kV左右;随着提供的负高压幅值上升,放电电流幅值呈上升趋势;在外加负高压幅值为30 kV时,可获得实验条件下的最大放电电流110μA.在-30～0 kV的外加负高压变化过程中,在幅值低于20 kV时,放电电流绝对值相对平缓地增长;在外加负高压绝对值高于20 kV以后,放电电流绝对值随外加电压绝对值的增长幅度大大增加.这是由于实验中观察到在幅值20 kV时,负电晕放电得到明显增强.放电喷嘴电极的外直径变化从1.6 mm到3.5 mm的变化范围内,放电电流绝对值的波动范围不大(在20μA之内),而外直径为2.5 mm的喷嘴电极的放电电流最低.产生这种现象的原因可能是由于本文中的喷嘴-筒式的放电电极结构所形成的不均匀的电场的畸变程度受喷嘴的直径的大小变化的影响.

采用直径为3.5mm的放电喷嘴电极,改变雾化水的流速从0～4 mL/min,得到不同水流速下放电电流绝对值随外加负高压绝对值的变化如图3所示.

由图3可见,在相同的外加负高压下,当水自放电喷嘴电极雾化喷出时,和纯空气放电情况相比,放电电流增大.这是由于雾化后的水以小液滴的形式分布在放电反应室内,带上负电荷,加速了放电区间内带电粒子流向接地极的运动.在实验范围内,雾化水流量从0.5～4 m L/min的变化,放电电流的幅值受雾化水流量的影响不明显,放电电流的变化在-10～20μA之间.在外加负高压为-30 kV时,不同水雾化流量下,放电电流变化范围最高达到50μA.

3 放电等离子体发射光谱图

采取Ando r发射光谱系统对水处理器放电反应空间内进行光谱测量.其中实验中光谱仪的CCD (charge-coup le device)探测器的积分时间设置为12 000 ms,狭缝宽度为250μm,光栅等级为1 200 g/mm,光谱仪分辨率为0.1 nm,采取Andor So lis软件进行光谱采样,获得在负电晕放电电压为-30 kV,放电喷嘴电极外直径为3.5 mm,雾化水流量为2 m L/min时,生成放电等离子体的发射光谱如图4所示.

图4 负直流电晕放电雾化水的发射光谱Fig.4 Optical em ission spectroscopy in negative DC corona discharge with water atom ized

如图4所示,发射光谱的诊断证明了文中的放电雾化水处理设备在外加高压状态下,放电反应空间内有放电等离子体的生成,并且生成了具有强氧化活性、可与多种污染物反应的OH自由基,如图4中小图所示.

4 结论

设计了一种采用负电晕放电方式生成放电等离子,对污染水进行雾化处理的设备.水自放电喷嘴电极进入处理室,在强电场和表面张力的作用下,形成小液滴,增加了放电等离子体和水中污染物作用的几率.喷嘴电极直径的改变和雾化水流量的变化对处理器的电气特性没有明显的影响.采用发射光谱诊断的手段验证了该处理器内放电等离子体的存在.

[1]SUN Bing,SA TO M,CLEM ENTSJ S.Op tical study of active species p roduced by a pulsed streamer co rona discharge in water[J].J of Electrostatics,1997,39:189-202.

[2]李杰,李楠,李国锋,等.气相脉冲放电针-板反应器降解水中有机物[J].河北大学学报:自然科学版,2007,7(6):646-649.

[3]敖漉,鲁建举,周从直,等.电液压脉冲放电与铁屑内电解法联用处理TNT废水试验研究[J].环境工程学报,2009,3 (11):1981-1984.

[4]杨世东,马军,史富丽.水中高压脉冲放电降解硝基苯废水研究[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(6):908-911.

[5]SUARASAN I,GH IZDAVU L,GH IZDAVU I,et al.Experimental characterization of multi-point corona discharge devices for direct ozonization of Liquids[J].J Electrostat,2002,54:207-215.

[6]LAROUSSIM,LU X,M ALOTT C M.A non-equilibrium diffuse discharge in atmospheric p ressure air[J].Plasma Sources Sci Technol,2003,12,53-60.

[7]WU Yan,L IJie,L I Guofeng,et al.Decomposition of phenol in w ater by gas phase pulse discharge plasma[Z].2009 IEEE Industry App lications Society Annual M eeting,Houston,2009.

[8]JOSH IA A,LOCKEB R,ARCE P,et al.Fo rmation of hydroxyl radicals,hydrogen peroxide and aqueous electrons by pulsed streamer co rona discharge in aqueous solution[J].Journal of Hazardous M aterials,1995,41(1):3-30.

Design of Water Atom ization Treatment Device with Negative Corona Discharge Plasma

SUNMing,CAILi-jun,M IN Jing
(Institute of Electrostatics,Shanghai Maritime University,Shanghai 200135,China)

W ater treatment set supp lied w ith negative co rona discharge w as designed to imp rove the removal efficiency of contaminants in water by discharge p lasma.Water was atomized by injecting into the treatment cham ber through discharge nozzle electrodew ith negative high vo ltage.The chance increased the reaction happening between the discharge p lasma and the contaminants through atomization,since thewater fo rm s little d rop s and w ater w ent th rough the area around the discharge nozzle electrode.The effect of diameter of discharge nozzle electrode and the flow rate of water atomized on the electric characteristics of the set were investigated.Discharge p lasma was diagnosed by op tical emission spectroscopy.

discharge p lasma;negative co rona discharge;atomization

X 502

A

1000-1565(2010)05-0490-04

2010-04-10

上海市自然科学基金资助项目(09ZR1421200);上海海事大学科研基金资助项目(2008462)

孙明(1975—),女,吉林松原人,上海海事大学副教授,主要从事放电等离子体技术及其在环境污染物脱除应用方向研究.

(责任编辑:孟素兰)