一种采用低温等离子体技术净化家庭饮用水水质的方法及其装置 【技术领域】
本发明涉及家庭饮用水水质净化方法及装置，更具体地说是一种采用低温等离子体技术净化家庭饮用水水质的方法及其装置。
背景技术
目前，我国饮用水净化处理过程中大多采用加氯消毒的方式。按照国家饮用水卫生规范，管网末梢水有效氯必须大于0.05mg/L才能保障饮用水卫生安全。而要达到此有效氯浓度，自来水厂投氯量一般要大于2mg/L。但是，在进行饮用水预氯化和消毒时，氯易与水中某些有机物如腐殖酸等发生氧化反应，同时发生亲电取代反应，产生大量的消毒副产物DBPs。目前，在饮用水中检出含量最高的DBPs为THMs和HAAs两大类，液氯消毒方式中THMs和HAAs的含量分别占DBPs的46％和42％；氯胺消毒分别为24％和54％。可见，加氯消毒主要的副产物是THMs和HAAs，两者含量之和占全部DBPs的80％以上。加氯消毒是为了降低饮用水微生物污染的危险，但同时提高了饮用水的化学污染的危险。大量流行病学调查证明，长期饮用加氯消毒的水会增加人们患癌症的可能性。
自来水经过加氯消毒处理后，虽然其中大部分病毒可被杀灭，但在自来水厂的出水中仍可能有部分存活，主要有脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、轮状病毒、甲型肝炎病毒等。随着水环境污染状况的变化，水体中原有的病毒亦可能发生变化，并出现新的病毒。
等离子体是物质存在的第四种状态，它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。最常用的人工产生等离子体的方法是高压放电，高压放电过程中形成大量高能电子，在有水分子存在时，高能电子在极短时间内(10-7s)与水反应形成大量自由基和臭氧，在高压放电等离子体中自由基种类很多，主要有羟基自由基·OH、水合电子eaq-、·O、HO2·等，它们都具有强氧化性。
O2+·O→O3
臭氧具有很强的水溶性，其在水中的溶解度约为氧气的13倍，臭氧溶于水后发生一系列反应生成氧化能力极强的·OH。
O3→O2+·O
·O+H++e→·OH
O3+H2O2→·OH+O2+HO2·
O3+HO2·→·OH+O2+O2-
高压放电过程中由于高能电子的轰击作用，可以在水溶液中生成H2O2，并在高压放电产生的UV的作用下进一步分解为氧化能力极强的·OH。
O3+H2O+hv→H2O2+O2
H2O2+hv→2·OH
利用高压放电产生等离子体，已经应用于静电除尘、污水处理、空气净化等领域，但应用于家庭饮用水的水质净化未见相关报导。
【发明内容】
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种采用低温等离子体技术净化家庭饮用水水质的方法及装置，以减少饮用水中DBPs并能彻底杀菌消毒。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明采用低温等离子体技术净化家庭饮用水水质的方法的特点是按如下过程进行：
a、通过电解水产生氢气和氧气；
b、以步骤a所述氢气和氧气作为等离子体反应的放电气体，将待处理饮用水与所述氢气和氧气共同进行气液混合放电；
c、将步骤b中完成气液混合放电之后的被处理水引入贮水罐中贮存，直至水中的消毒副产物DBPs、细菌及病毒被消除和杀灭。
本发明采用低温等离子体技术净化家庭饮用水水质的方法的特点也在于：
将所述被处理水与待处理饮用水混合，共同引入贮水罐贮存。
将所述贮水罐中的多余的O3向待处理饮用水入口处回流。
本发明采用低温等离子体技术净化家庭饮用水水质的装置，其结构特点是具有：
一电解槽，电解水以得到氢气和氧气；
一等离子体反应器，以所述电解槽中产生的氢气和氧气作为等离子体反应的放电气体，并通过流量计接入待处理饮用水，完成气液混合放电；
一贮水罐，在所述等离子体反应器中完成气液混合放电的被处理水引入贮水罐，并在贮水罐中贮放。
本发明采用低温等离子体技术净化家庭饮用水水质的装置的特点也在于：
设置所述等离子体反应器中的高频高压电源的功率为20～100W，电流频率为5～35kHz。
本发明采用低温等离子体技术净化家庭饮用水水质的装置的结构特点也在于：
在等离子体反应器的出水口上设置文丘里管，在所述待处理饮用水入水口设置旁路水道，所述旁路水道的引入水与等离子体反应器的出水在所述文丘里管中混合后引入贮水罐。
在所述贮水罐与待处理饮用水入水口之间设置O3回流管。
气液混合放电产生低温等离子体是在反应器底部注入气体，使下层溶液内的气体均匀分布，在下层溶液和上层溶液之间对应设置的针电极和板电极之间施加高压脉冲，在高强电场作用下，产生等离子体反应。气液混合放电方法不仅可以产生O3、H2O2、高能电子和紫外光辐射，而且还会产生大量地活性物质(OH·、H·、O·等)。这些高能量的电子(1-10eV)和强氧化性物质可有效降解水体中的DBPs，同时起到彻底杀菌消毒的作用。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明方法在其反应过程中产生的高能电子、O3、H2O2和活性物质OH·、H·、O·等无选择性地与水中的DBPs反应，有效降低了水中的DBPs；
2、本发明方法与装置杀菌、消毒能力比较彻底；
3、本发明电解气体的充入以及反应过程中部分臭氧的分解均可增加饮用水中的含氧量。
【附图说明】
图1为本发明工艺流程示意图。
图2为本发明等离子体反应装置示意图。
图中标号：1等离子体反应器、2储气瓶、3电解槽、4贮水罐、5流量计、6文丘里管、7纵向隔板、8板电极、9针电极、10气体流量计、11高频高压电源。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明：
【具体实施方式】
本实施例中采用低温等离子体净化家庭饮用水水质的方法是按如下过程进行：
a、通过电解水产生氢气和氧气；
b、以步骤a所述氢气和氧气作为等离子体反应的放电气体，将待处理饮用水与所述氢气和氧气共同进行气液混合放电；
c、将步骤b中完成气液混合放电之后的被处理水引入贮水罐中贮存，直至水中的消毒副产物DBPs、细菌及病毒被消除和杀灭。
具体实施中，可以将被处理水与待处理饮用水混合，对被处理水进行稀释，再共同引入贮水罐贮存。
也可以将贮水罐中的多余的O3向待处理饮用水入口处进行回流使用。
参见图1、图2，本实施例中采用低温等离子体净化家庭饮用水水质的装置具有：
一电解槽3，电解水以得到氢气和氧气；
一等离子体反应器1，以电解槽3中产生的氢气和氧气作为等离子体反应的放电气体，并通过流量计5接入待处理饮用水，完成气液混合放电；
一贮水罐4，在等离子体反应器1中完成气液混合放电的被处理水引入贮水罐4，并在贮水罐4中贮放。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
设置等离子体反应器1中的高频高压电源11的功率为20～100W，电流频率为5～35kHz，优选为15～25kHz，可以选择为20kHz；
在等离子体反应器1的出水口上设置文丘里管6，在待处理饮用水入水口设置旁路水道，旁路水道的引入水与等离子体反应器1的出水在文丘里管6中混合后引入贮水罐4。
可以在贮水罐4与待处理饮用水入水口之间设置O3回流管，对贮不罐中多余的O3进行回流使用，可减少放电气体的外排，有效节省了电解槽3的工作时间。
本实施例是采用高压放电的方式产生等离子体，利用等离子体中的O3、H2O2、·OH、eaq-、·O、HO2·等降解水中的DBPs，同时可达到彻底杀菌、消毒的目的；
具体实施中，高压放电可以采用针板式反应器，针板式反应器具有规格为直径5～10cm的有机玻璃圆柱筒，高10～25cm，具体规格的选择可以根据通过流量计5的最大水量进行设置；针板式反应器的针电极9采用中空的不锈钢针电极，板电极8是面积为4cm2的正方形不锈钢板，正、负电极间距3～5mm，电解产生的氢气和氧气在储气瓶2中进行收集，放电气体由储气瓶2供给。
本实施例中，采用南京苏曼电子有限公司生产的CTP-2000K放电电源，该电源所产生的用于气液混合放电的放电电压峰值为8000-12000V、交流正弦波型，放电电流峰值为20-50mA，电流频率为2.5kHz～30kHz。
工艺流程如图1所示，考虑到储水罐4内水中残留的臭氧能够在较短时间内自然分解，因此，要将等离子体反应器1排出的等离子水按进行稀释，稀释的比例可以通过流量计5进行控制。
自来水经进水管分为两部分，其中一部分经流量计5进入等离子体反应器1，进行等离子体反应，出水经过喷嘴进入文丘里管6；而另一部分直接进入文丘里管6，与等离子水在文丘里管6的喉管处进行充分混合，一同注入储水罐4；
图1所示，在储水罐4内，入水口和出水口分处在两侧，两侧之间悬置有纵向隔板7，一方面是为了延长饮用水在储水罐4的停留时间，使溶解在水中的少量臭氧自然分解；另一方面是为了使未溶解于水的臭氧能回流进入进水管，强化降解水中DBPs及杀菌消毒的作用。
等离子体反应装置的工作过程如图2所示，向等离子体反应器1中注入适量自来水，水位应淹没板电极8，等离子体反应器1的外部用绝缘套包裹，储气瓶2的设置可有效调节电解槽3和等离子体反应器1之间工作周期的差异。放电气体依次经储气瓶2、气体流量计10和针电极9，以放电气泡的形式进入等离子体反应器1。在充气数秒后，接通高频高压电源11，此时板电极8与针电极9之间形成高压电场，电离放电气体形成大量高能电子，高能电子在极短时间内(10-7s)与水反应生成大量·OH、水合电子eaq-、·O、HO2·等自由基和臭氧。
等离子体反应进行片刻后，将等离子体反应器1内的等离子水通过导水管进入文丘里管6，与稀释水充分混合后，一同进入储水罐4。