【環(huán)保技術(shù)】高壓納秒脈沖放電水處理新技術(shù)

高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)幾乎是各種高級氧化技術(shù)的天然組合，它集合了高能電子轟擊、羥基自由基氧化、紫外光降解、臭氧氧化等多種效應于一體，對有機污染物的處理具有高效率、重復性好、無(wú)選擇性等優(yōu)點(diǎn)，且對有機污染物的降解具有廣泛的適用性。

利用高壓納秒脈沖驅動(dòng)等離子體放電，產(chǎn)生大面積放電通道，在放電空間迅速傳播引起雪崩效應，產(chǎn)生強紫外光、臭氧和高能電子協(xié)同作用，在反應器中直接產(chǎn)生活性極強的自由基和活性物質(zhì)如OH?、H?、O?、HO2?、O3、H2O2 等，通過(guò)自由基和活性物質(zhì)與有機化合物之間的聚合、取代、電子轉移、斷鍵等作用，使大分子難降解有機物氧化降解成低毒或無(wú)毒的小分子物質(zhì)，甚至直接降解成CO2和H2O，達到降解效果。近兩年針對焦化廢水、印染廢水、中醫藥廢水等難降解和劇毒物質(zhì)的降解處理以及湖泊河流藍藻凈化處理等都有研究應用，采用納秒脈沖放電等離子體放電水處理降解有毒有害物質(zhì)效果可達90%以上。

圖1 多種物理效應協(xié)同氧化效果

納秒脈沖等離子體放電環(huán)保技術(shù)具有多方面技術(shù)優(yōu)勢，多種物理效應協(xié)同氧化效果，工藝結構簡(jiǎn)單，無(wú)需添加氧化劑，能源利用效率高，處理效果好，環(huán)保節能，格外受到環(huán)保領(lǐng)域的青睞。
1、技術(shù)路線(xiàn)
利用脈沖電暈法產(chǎn)生等離子體進(jìn)行水處理的設備主要分為兩大部分：高壓脈沖電源和反應器。高壓脈沖電源用于產(chǎn)生等離子體;反應器則利用產(chǎn)生的活性物質(zhì)以及伴隨產(chǎn)生的熱、光、波等效應來(lái)凈化水質(zhì)。應用于水處理的高壓脈沖電源其電壓脈沖寬度要求在納秒級。因為高壓脈沖放電處理水要求陡前沿、窄脈沖電源系統，這樣才能保持穩定地生成低溫等離子體，并得到強電場(chǎng)并達到節能的目的。水中高壓脈沖放電電壓上升時(shí)間一般 <300ns，脈沖寬度 <600ns。  水中氣泡放電廢水處理裝置是含氣泡液體流經(jīng)外殼絕緣的高壓電場(chǎng)，當窄脈沖施于兩極板時(shí)，將使每個(gè)小氣泡發(fā)生放電，可以處理大流量的水。該工藝中，放電等離子體與水溶液的接觸面積大，氣液混合均勻。
2、納秒脈沖電源
從放電形式來(lái)講，高壓脈沖放電是一種能量利用效率比較高的形式。高壓脈沖放電的基本特點(diǎn)就是，在比較短的放電脈沖中將質(zhì)量比較輕的電子加速，由高能電子與放電區域中的其它微粒進(jìn)行碰撞從而誘導一些氧化性微粒的產(chǎn)生。在這個(gè)過(guò)程當中，一些比較重的荷電微粒，如離子，由于放電脈沖時(shí)間短而得不到加速。這樣一來(lái)，大部分能量都被用來(lái)加速電子提供碰撞的能量，從而使能量利用的效率提高。然而事實(shí)上還是由部分能量轉化成熱量。同時(shí)放電過(guò)程中可以看到放電通道向外輻射的光。該過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波以及微氣泡產(chǎn)生與潰滅并由此產(chǎn)生脈動(dòng)也消耗電能。    系統供電采用納秒脈沖電源供電，放電極直接置于水中。放電極是該裝置的關(guān)鍵設備，其性能和參數將直接決定反應器內等離子體的狀態(tài)，從而影響水處理的效果。為了持續穩定地生成和維持等離子體，高壓脈沖必須具有脈沖前沿陡峭、脈沖寬度窄的特點(diǎn)，以得到強電場(chǎng)并達到節能的目的。該裝置采用空載峰值 50kV、上升時(shí)間 200ns，滿(mǎn)載峰值 40kV、脈寬 <600ns，脈沖頻率 1-1kHz可調的納秒脈沖電源。
傳統的脈沖電源多為利用火花隙作為開(kāi)關(guān)產(chǎn)生脈沖，但是火花開(kāi)關(guān)壽命較短，該電源采用新型電力電子開(kāi)關(guān)器件和磁壓縮技術(shù)代替火花隙，這樣可以大大的提高開(kāi)關(guān)的壽命以及電源工作的可靠性和穩定性。  脈沖電源原理為交流三相輸入先經(jīng)過(guò)三相整流升壓輸出 1.5kV對C1進(jìn)行儲能，通過(guò)大功率IGBT開(kāi)關(guān)，使C1，脈沖變壓器形成諧振回路在低壓側形成脈沖電壓再經(jīng)脈沖變壓器升壓形成us級脈沖電壓，再經(jīng)脈沖變壓器后兩級磁壓縮電路將脈沖電壓壓縮為ns電壓信號水體反應器內實(shí)現脈沖電暈等離子體產(chǎn)生。納秒脈沖電源電路原理圖
如圖2：

圖2  納秒脈沖電源原理圖

3、適用場(chǎng)合及工藝流程
3.1廢水污染物的降解處理

圖3 污水處理系統

脈沖電源水下放電污水處理系統由等離子體發(fā)生與自由基注入系統、高效傳質(zhì)反應器、臭氣凈化等幾部分組成，形成廢水污染物降解、消毒滅菌和臭氣凈化的一體化。將壓縮空氣通過(guò)微孔曝氣器對廢水進(jìn)行曝氣，提供高強度氣液傳質(zhì)，在放電等離子體自由基作用下快速完成有機物的降解、消毒滅菌，水面逸散的廢氣被集氣系統收集，經(jīng)放電等離子體氧化除臭后凈化排放。

圖4 等離子凈化反應系統
3．2 湖泊藍藻處理
納秒脈沖水下放電過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)物理現象，不僅能產(chǎn)生大量活性物質(zhì)能與水中的有機物等有害物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應，形成另一種能夠去除或無(wú)害的物質(zhì)；而且放電過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波、紫外線(xiàn)的輻射可以破壞藍藻等細胞膜、氣囊膜等的結構，使其喪失保護細胞的能力，嚴重影響藍藻等細菌、真菌的生長(cháng)、繁殖，最終死亡下沉到水底。藍藻等藻類(lèi)植物沉積到水底之后，經(jīng)分解可以作為其它植物的有機肥料，實(shí)現湖泊藍藻無(wú)害化處理。

圖5  水下放電前后湖水除藍藻對比

圖5 a為放電前放電室內的湖水呈現情況，可以看出大量的藍藻漂浮在放電室的水面上，湖水十分渾濁。圖5 b為放電30分鐘后的湖水呈現情況，很明顯的可以看出，藍藻已經(jīng)下沉到放電室底部，湖水變得十分清澈，表明藍藻細胞已經(jīng)被殺滅。同時(shí)，整個(gè)放電的過(guò)程中，放電室的溫度不變，一直保持在常溫的條件下。

4、結論
傳統的污染環(huán)境處理方法主要是通過(guò)物理與化學(xué)的方式達到凈化的目的，如混凝、沉淀、澄清、過(guò)濾及消毒等方法。這些方法存在著(zhù)一定的弊端，主要有去除對象十分局限，僅對特定的污染物質(zhì)起作用，要向水中投入其他物理與化學(xué)物質(zhì)，易帶來(lái)二次污染，在除去一種有害物質(zhì)的同時(shí)，引入另一種更難處理的物質(zhì)，無(wú)法達到完全凈化的目的。因此傳統方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對于環(huán)境資源需求日益增長(cháng)的要求。高壓納秒脈沖電源水下放電技術(shù)作為一種新的水處理方法在這種呼聲中應運而生，備受業(yè)界的關(guān)注。由于它不僅克服了傳統水處理方法的缺點(diǎn)，還具有自身獨特的優(yōu)點(diǎn)，如不僅能利用脈沖電源裝置通過(guò)電極對污染物放電，將其分解，實(shí)現了完全凈化的目標，而且該裝置的結構也十分簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，適用污染源范圍廣泛，治理徹底，周期短等優(yōu)勢，因此它成為當前水處理方法中的主要研究方向之一。
同時(shí)目前，國內外很多學(xué)者將高壓納秒脈沖電源設備應用于滅除湖泊藍藻的實(shí)驗中，實(shí)驗結果表明經(jīng)納秒脈沖水下放電處理以后，藻類(lèi)細胞的滅殺率遠遠高于其他方法，而且脈沖電源設備更加節省能源，需要的功率很小。但是這種放電過(guò)程對于脈沖電壓的幅值以及上升沿的要求很苛刻，要求高幅值，陡上升沿，高放電速率，這樣藻類(lèi)細胞的滅除效果才更好。

圖6 納秒脈沖電源



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