負電暈放電等離子體霧化水處理器的設計

孫明,蔡麗俊,閔靜

(上海海事大學靜電研究所,上海 200135)

負電暈放電等離子體霧化水處理器的設計

孫明,蔡麗俊,閔靜

(上海海事大學靜電研究所,上海 200135)

為提高放電等離子體技術脫除水中污染物的效率,設計了一種采用負電暈放電方式的水處理裝置:待處理水自放電噴嘴電極進入放電反應室,經放電霧化形成小液滴,大大增加了放電等離子體對水中污染物的作用幾率.研究了不同噴嘴電極直徑和霧化水流量對該處理器電氣特性的影響,并對放電等離子體進行了發(fā)射光譜的測量.

放電等離子體;負電暈放電;霧化

高壓放電過程中生成的放電等離子體含有具有強氧化性的羥基(OH)、氧原子(O)、臭氧(O3)、過氧化氫(H2O2)等活性物種,可與多種物質發(fā)生反應,已被廣泛研究應用于水處理中的殺菌、脫色、分解或轉化有毒物質等[1-4].采用放電技術對水凈化處理的設備結構主要分為:始于20世紀90年代將放電極置于水面上;近年來多采用的放電極置于待處理的水中;以及將高壓放電過程中產生的放電等離子體通過曝氣形式加入待處理水等形式.[5-7].放電等離子體對水中污染物的作用從只作用于水的表面,到可作用于放電電極周圍區(qū)域,再到可大面積與待處理水接觸,作用范圍逐步增大,處理效果逐步得到改善.但眾所周知,放電等離子體所含有的活性物種的壽命很短,以OH自由基為例,僅為10-7s,并且在擴散過程中會由于自身從激發(fā)態(tài)向基態(tài)的退激,或者與其他粒子的碰撞而迅速消失[8].為了使放電過程所生成的活性物種能夠更有效、充分地作用于水中污染物,本文提出使待處理水從噴嘴放電極進入處理室的設備結構.在強靜電場力和表面張力的作用下,待處理水被霧化成小液滴,自放電反應空間通過,大大增加了放電過程對水中污染物的作用效果.

1 實驗裝置和方法

放電等離子體霧化水處理系統(tǒng)主要由放電霧化單元、處理室和儲水池組成.實驗裝置如圖1所示.

圖1 放電霧化水處理實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup of atom ization water in discharge

如圖1所示,待處理水自噴嘴金屬放電電極霧化噴出,在不銹鋼材料的接地處理室中通過,進入儲水池,由水泵將儲水池中的水送到處理室頂端位置,經絕緣接頭進入和放電噴嘴相連的外套絕緣材料制成的金屬進水管,開始新的循環(huán).待處理水自噴嘴放電極噴出,在強電場力和表面張力的作用下,被霧化,以小液滴的形式分布在放電反應空間,這樣大大增加了表面積,從而使水中污染物和放電等離子體作用的幾率顯著增加;放電等離子體的壽命很短,而所生成的濃度自放電極向其周圍空間逐漸降低,在放電極附近的濃度最高,使待處理水從放電等離子體濃度最高的放電極經過,大大增加了放電等離子體對水中污染物作用的幾率,增強了放電等離子體對水中污染物作用的效果.

圖1中處理室5是由不銹鋼材料等金屬材料制成的圓柱體,內徑為70 mm,高250 mm.處理室的出水管9由不繡鋼等金屬材料制成,內徑為60 mm,長30 mm.絕緣套管2由聚四氟乙烯等絕緣材料制成,內徑80 mm,長100 mm.進水管7由金屬材料制成內徑60 mm,長160 mm.放電霧化噴嘴電極3由不銹鋼等耐腐蝕的金屬材料制成,儲水池10材料可由不繡鋼或玻璃等材料制成,直徑100 mm,高50 mm.

2 裝置特性和討論

對放電噴嘴電極提供-30～0 kV的負高壓,對裝置工作狀態(tài)下的放電電壓和放電電流實時測量.同時設定經放電電極霧化的水的不同流量.在霧化水流量為2 m L/min時,改變放電噴嘴電極的外直徑(Ф)從1.6 mm到3.5 mm,得到不同噴嘴電極直徑下,水處理器的放電電流絕對值和外加負高壓絕對值的關系如圖2所示.由圖2可見,當為放電噴嘴電極提供負高壓時,放電起暈電壓約在-7 kV左右;隨著提供的負高壓幅值上升,放電電流幅值呈上升趨勢;在外加負高壓幅值為30 kV時,可獲得實驗條件下的最大放電電流110μA.在-30～0 kV的外加負高壓變化過程中,在幅值低于20 kV時,放電電流絕對值相對平緩地增長;在外加負高壓絕對值高于20 kV以后,放電電流絕對值隨外加電壓絕對值的增長幅度大大增加.這是由于實驗中觀察到在幅值20 kV時,負電暈放電得到明顯增強.放電噴嘴電極的外直徑變化從1.6 mm到3.5 mm的變化范圍內,放電電流絕對值的波動范圍不大(在20μA之內),而外直徑為2.5 mm的噴嘴電極的放電電流最低.產生這種現(xiàn)象的原因可能是由于本文中的噴嘴-筒式的放電電極結構所形成的不均勻的電場的畸變程度受噴嘴的直徑的大小變化的影響.

采用直徑為3.5mm的放電噴嘴電極,改變霧化水的流速從0～4 mL/min,得到不同水流速下放電電流絕對值隨外加負高壓絕對值的變化如圖3所示.

由圖3可見,在相同的外加負高壓下,當水自放電噴嘴電極霧化噴出時,和純空氣放電情況相比,放電電流增大.這是由于霧化后的水以小液滴的形式分布在放電反應室內,帶上負電荷,加速了放電區(qū)間內帶電粒子流向接地極的運動.在實驗范圍內,霧化水流量從0.5～4 m L/min的變化,放電電流的幅值受霧化水流量的影響不明顯,放電電流的變化在-10～20μA之間.在外加負高壓為-30 kV時,不同水霧化流量下,放電電流變化范圍最高達到50μA.

3 放電等離子體發(fā)射光譜圖

采取Ando r發(fā)射光譜系統(tǒng)對水處理器放電反應空間內進行光譜測量.其中實驗中光譜儀的CCD (charge-coup le device)探測器的積分時間設置為12 000 ms,狹縫寬度為250μm,光柵等級為1 200 g/mm,光譜儀分辨率為0.1 nm,采取Andor So lis軟件進行光譜采樣,獲得在負電暈放電電壓為-30 kV,放電噴嘴電極外直徑為3.5 mm,霧化水流量為2 m L/min時,生成放電等離子體的發(fā)射光譜如圖4所示.

圖4 負直流電暈放電霧化水的發(fā)射光譜Fig.4 Optical em ission spectroscopy in negative DC corona discharge with water atom ized

如圖4所示,發(fā)射光譜的診斷證明了文中的放電霧化水處理設備在外加高壓狀態(tài)下,放電反應空間內有放電等離子體的生成,并且生成了具有強氧化活性、可與多種污染物反應的OH自由基,如圖4中小圖所示.

4 結論

設計了一種采用負電暈放電方式生成放電等離子,對污染水進行霧化處理的設備.水自放電噴嘴電極進入處理室,在強電場和表面張力的作用下,形成小液滴,增加了放電等離子體和水中污染物作用的幾率.噴嘴電極直徑的改變和霧化水流量的變化對處理器的電氣特性沒有明顯的影響.采用發(fā)射光譜診斷的手段驗證了該處理器內放電等離子體的存在.

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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

上海市自然科學基金資助項目(09ZR1421200);上海海事大學科研基金資助項目(2008462)

孫明(1975—),女,吉林松原人,上海海事大學副教授,主要從事放電等離子體技術及其在環(huán)境污染物脫除應用方向研究.

(責任編輯:孟素蘭)