微等离子体弧放电催化水处理方法.pdf

本发明属于环境工程废水处理技术领域，涉及等离子体弧放电催化水处理方法，是将电解质以一定浓度要求加入到待处理的水溶液中，对反应体系施加脉冲直流电压，使阳电极极表面能够原位生成负载型催化剂进行放电催化，达到有机废水的降解处理的目的。本发明的有益效果是，该放电催化体系具有协同效果好、有机废水的降解处理能效高、反应器设计要求简单等特点，是一种有发展前景的水处理新技术。

1、  微等离子体弧放电催化水处理方法，其特征在于，该方法是将电解质以一定浓度要求加入到待处理的水溶液中，对反应体系施加脉冲直流电压，使阳电极极表面能够原位生成负载型催化剂进行放电催化，电解质为H₃PO₄或NaOH，其浓度范围分别为0.01-1mol/L和1-20g/L，阳极电极为钛金属、钛合金、掺杂银或铁或钨的钛，阳极电极间距为2mm-1000mm，插入液体中的阳极电极表面积为1-1000cm²，峰值电压为200-10000V，频率为50Hz-50kHz，占空比为1/360-1/60，水溶液温度为0-80℃，处理时间为20分钟-4小时，该方法可分为静态处理和动态处理方式，具体处理步骤为：
1)静态处理方式：在待处理液中按定浓度要求加入电解质，
动态处理方式：在待处理的液体输入管道里可调地注入电解质；
2)打开通风系统；
3)于反应池中插入电极；
5)将混有电解质的待处理液输入反应池中；
(6)接通电源，并逐渐升高电压至放电电压临界值后，在峰值电压为200-10000V电压值下稳定放电，
7)静态处理方式：定时取样化验水质的变化，按预先的计算处理时间，并结合化验的结果，确定处理结束时间；
动态处理方式：分析从反应池流出的处理后的水质，结合化验的结果，调节适当的流量，使处理效果满足要求；
8)处理结束时，对动态方式处理系统，停止输入待处理液于反应池，逐渐降低电压至10～20V后，再关电源及通风系统。

2、  根据权力要求1所述的微等离子体弧放电催化水处理方法，其特征在于，所述的电解质为Na₂CO₃、NaAlO₂、Na₂SO₄、Na₃PO₄中的一种，其浓度范围分别为1-30g/L、1-30g/L、2-20g/L、10-60g/L。

3、  、根据权力要求1所述的微等离子体弧放电催化水处理方法，其特征在于，所述的阳极电极为钛金属、钛合金、掺杂银或铁或钨的钛。

4、  根据权力要求1所述的微等离子体弧放电催化水处理方法，其特征在于，所述的阳极电极形状为针状或板状。

微等离子体弧放电催化水处理方法
技术领域
本发明属于环境工程废水处理技术领域，涉及液下放电催化。
背景技术
放电过程能产生高能环境，产生的等离子体中含有大量高能活性粒子，对许多分子有破坏作用。这些高能活性粒子与催化剂相结合，能有效提高放电处理效果，促进有机分子分解，因而成为污染处理技术研究和开发的热点。
高压脉冲放电与催化协同在含挥发性有机物、NO_X的气体净化处理领域中已有广泛的研究^[1-7]。然而，液下放电与催化剂协同用于水处理领域的研究较少，国内外的研究有：在高压脉冲放电水处理系统中加FeSO₄、H₂O₂、纳米铁黄^[8-11]等来提高水质净化的效果，主要利用其与放电生成的H₂O₂形成类似Fenton试剂，在等离子体放电火花的协同作用下促进有机物的降解。李杰等^[12]提出了将高压脉冲电晕放电与TiO₂催化剂结合技术，利用放电辐射的紫外光激发TiO₂光催化效应进行水处理，其中TiO₂是悬浮态存在于水处理体系中。
如果将TiO₂催化剂负载置放于或原位生成于放电电极上将更有利于放电与催化的协同，这种液下电极上的放电催化体系尚未见报道。研究、开发新型液下电极表面的放电催化水处理技术是本项目的目的。
微等离子弧放电技术是在导电溶液中利用微等离子体放电，直接在铝、钛、镁等轻金属表面通过复杂的电化学、等离子体化学和热化学过程原位生长氧化物陶瓷膜层，以此完成对阳极表面的改性^[13，14]，是材料学领域新发展的材料表面改性技术。
在对其放电特性的考察中，本项目发明者发现该技术有与其他放电不可比拟的优点，能形成更好的TiO₂催化环境。首先从放电模式来看^[15]，微等离子体技术具有类似介质阻挡放电的特性，但形成的是微放电通道，因此它既具有弧光特征，提供高能量，却又温和，且所需峰值电压较低200～600V左右。其次，Ti是少数可以产生微等离子体放电的金属之一，以其为阳极，在酸性电解液中，其表面可形成以锐钛矿为主要晶型的TiO₂陶瓷层^[14]。而TiO₂在一定的能量场作用下，如紫外光、超声波、电场等，能经由电子-空穴对的产生而起到催化作用，因此，利用TiO₂催化作用进行水处理一直都是研究热点。而微等离子体技术制备的TiO₂陶瓷层也已被证明有好的光催化活性^[16]。
发明内容
本发明针对上述鉴于以上的考虑，提出了一种微等离子体弧放电催化水处理方法。利用^Ti为阳极进行微等离子体放电，原位形成有催化作用的陶瓷层，并同时对模拟有机废水进行了处理，研究出一种微等离子体放电与催化的协同作用水处理方法。
本发明的技术方案是，微等离子体弧放电催化水处理方法，该方法是将电解质以一定浓度要求加入到待处理的水溶液中，对反应体系施加脉冲直流电压，使阳电极极表面能够原位生成负载型催化剂进行放电催化，电解质为H₃PO₄或NaOH，其浓度范围分别为0.01-1mol/L和1-20g/L，阳极电极为钛金属、钛合金、掺杂银或铁或钨的钛，阳极电极间距为2mm-1000mm，插入液体中的阳极电极表面积为1-1000cm²，峰值电压为200-10000V，频率为50Hz-50kHz，占空比为1/360-1/60，水溶液温度为0-80℃，处理时间为20分钟-4小时；该方法可分为静态处理和动态处理方式，具体处理步骤为：
1)静态处理方式：在待处理液中按定浓度要求加入电解质，
  动态处理方式：在待处理的液体输入管道里可调地注入电解质；
2)打开通风系统；
3)于反应池中插入电极；
5)将混有电解质的待处理液输入反应池中；
(6)接通电源，并逐渐升高电压至放电电压临界值后，在峰值电压为200-10000V电压值下稳定放电，
7)静态处理方式：定时取样化验水质的变化，按预先的计算处理时间，并结合化验的结果，确定处理结束时间；
动态处理方式：分析从反应池流出的处理后的水质，结合化验的结果，调节适当的流量，使处理效果满足要求；
8)处理结束时，对动态方式处理系统，停止输入待处理液于反应池，逐渐降低电压至10～20V后，再关电源及通风系统。
所述的电解质为Na₂CO₃、NaAlO₂、Na₂SO₄、Na₃PO₄中的一种，其浓度范围分别为1-30g/L、1-30g/L、2-20g/L、10-60g/L。所述的阳极电极为钛合金、掺杂银或铁或钨的钛。阳极电极形状为针状或板状。
本发明的有益效果是，该放电催化体系具有协同效果好、有机废水的降解处理能效高、反应器设计要求简单等特点，是一种有发展前景的水处理新技术。
附图说明
图1是实施本发明装置的结构示意图。
图中，1、脉冲电源，2、正极，3、负极，4、示波器，5、阳极电极，6、阴极电极，7、电解液，8、反应池。
具体实施方式
如图1，放电催化水处理的实验装置包括脉冲电源和微弧反应池两大部份，由脉冲电源1、正极2、负极3、示波器4、阳极电极5、阴极电极6、电解液7和反应池8组成，脉冲电源1的正极2和阳极电极5相连，负极3和阴极电极6相连，阳极电极5和阴极电极6插入含有电解液7的反应池8中。电源为大连海事大学自行研制的金属表面微弧氧化专用纯方波窄脉冲直流电源，电源的电流0~20A、频率50~2000Hz和电压0~600V均可调节，平均电流的大小通过调节脉冲的占空比来控制。实验电压脉冲频率为300Hz，占空比1∶180。阳极电极5面积为25mm×50mm，阴极电极6为不锈钢板，面积为20mm×40mm，电极间距为10cm。电解液为0.3mol/L磷酸溶液。本实验采用甲基橙配制模拟的染料废水，因为这种水溶性偶氮染料是印染行业废水处理的主要对象，且含有苯环，用化学和生物等方法处理该类废水的效果均不理想。甲基橙初始浓度为20.0mg/L，处理量为600mL。
实验中记录平均电流和峰值电压的变化，用示波器4测量直流脉冲波型宽度。用日本岛津紫外-可见分光光度计JascoUV550测废水中最大吸收波长510nm处的吸光度的变化，以反映甲基橙溶液的脱色效果，脱色率η为处理前后吸光度的变化率。电极上放电发出的微弧由ocean optics生产的UBS2000紫外可见光纤光谱仪测试。