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在过滤膜上用等离子放电的方法去除水中的CaCO3摘要：在当今的污水处理方法中，通常用过滤器来去除水中没用的成分。最近的研究表明如果在水中施加脉冲电击能去除过滤膜上的污垢，它将会在饮用水与工业用水中有很好发展前景。这个测试方案包括一个循环水回路和脉冲电源系统。最近的实验所应用的是人工合成的硬度为1000mg/L的CaCO3的硬水，这种硬水是由CaCl2和NaCO3混合而成的，这是为了在过滤网上产生碳酸钙沉淀。在水中放出电击是为了产生强有力的冲击波。干净的过滤器 表面电击排放的效率是由测量过滤器的压降来评价的。结果显示压降会降低到与最初的清洁状况相符合，自此以后过滤器将会近乎无限的保持在最初的状态。这样就可以确保通过在水中施加脉冲电击去除过滤膜上的污垢一概念的正确性。1. 简介不论是在工业生产还是在日常生活中，硬水都给我们造成了一系列的问题，例如在水冷却装置、热交换器、锅炉、水壶、淋浴喷头和洗碗机中的矿物质淤积。根据美国的水质组织的定义，钙含量超过80-120mg/L的水被称为硬水。在最近几年里，全球各地对高品质水越来越大的需求量呼吁着更加经济的水处理方法的发展。离子交换技术已经成为最为常用的一种水处理方法。然而大量钠离子的排放会引起水污染进而造成严重的环境问题。不使用化学方法的水处理方式被统称为物理水处理方法，物理水处理方法的例子有永久性磁铁，？静电沉淀器，瞬时压降，催化作用合金，电镀等。一些物理水处理方法被认为是在硬水的区域中产生感应电，这样就可以在水中产生微米数量级的胶状质点，。因此，如果一个物理处理装置可以在水中连续不断的提供悬浮颗粒，并且以此同时有一个过滤器能联系不断的将这些悬浮颗粒从水中除去，这样就可以不通过化学方法来降低水的硬度了。如果这样一个系统能成功的发展起来，他将会被看做是一个机械的硬水处理器。在冷却塔系统中，冷却水的循环浓度一般保持在3.5，因此，如果补充水的浓度为100mg/L，则循环冷却水中的钙浓度近乎达到350mg/L。为了避免热交换设备的性能降低，一部分的冷却水会通过排污的方式间歇或连续的排出。如果能使循环水的钙离子连续沉淀并且通过一个有自我清洁能力的过滤器将其排出，降低其浓度，就可以大大降低污水排放量，减少水污染，保护净水资源。比如说，一个效率为40%的100MW的化石燃料机组将会比一个1500MW的全负荷运行的机组更受欢迎。这样一个动力设备一个冷凝器中所消耗的10摄氏度温差的循环水为1.3x105m3/h。由于热量的传递是通过纯水的蒸发实现的，一个传统的动力装备需要2400m3/h的补充水，这样一天就需要57600m3。通过一个拥有物理水处理和过滤装置的设备，希望能在8-10这一更高的循环浓度使冷却塔得以运行，这样就可以使淡水的消耗量降低大约25%。这就意味着一个化石燃料的1000MW机组一天就可以节约14400m3的水。许多的微型过滤器都被用来除去水中的悬浮颗粒。当一个过滤器应用于一个水系统中时，过滤器中的压降会随着时间的推移而上升，其流量也会渐渐下降。过滤器功效的下降是由于其表面杂质的堆积造成的，并且堵塞的面积成为微生物积聚的地方，进一步降低了过滤器表面的开度，增加了抽水成本。因此，要想将水中的悬浮颗粒连续的从水中去除，过滤器必须经常更换。这是大多数工业用水设备支付不起的。为了克服经常更换过滤器这个缺点，在工业中通常使用具有自我清洁能力的清洁器，虽然在市场上有很多的自清洗过滤器，但大多数都是用一个复杂的清洗方法，即在清理阶段使流动方向逆转。此外，在冲洗中所用的水必须是干净的过滤水，这就降低了其过滤能力。传统过滤技术的上述缺点，促使我们发展一个新的自清洁过滤器，利用电火花产生冲击波。1.1在水中等离子放电. 水是一种相对介电常数r为80的极性液体。水的电导率约从1 S/ cm到数千S /cm，这取决于溶解的离子浓度。为了在水中产生火花，需要使用高电压短脉冲。水有t的电脉冲持续时间，当T r0 /（其中0是真空介电常数，是水的导电性的电脉冲），水溶液行为作为一个电阻介质而存在6 。电脉冲时间过长，会导致水的电解，产生氢气和氧气。电脉冲时间过短，即T r0 / ，此时水作为一种电介质6 ，产生的高电压会导致系统崩溃。实验发现，阈值电场为1 MV / cm时，有必要启动放电7 。如果电脉冲达不到第二电极，称为脉冲电晕放电，与气体中放电相似，这种放电的分流被称为射束。如果射束达到相反的电极，在电极之间形成导电通道，并产生火花。如果通过火花塞的电流非常高（超过1 kA的） ，这火花通常被称为脉冲电弧。各种形状的电极已被用于水中等离子放电体，以达到水处理的目的。. 点到面和点至点是两种简单的几何构造7，就像从尖端电极向水中放电。一个点电极，电场可估计为E U / rc ，其中U是施加电压和rc是尖端曲率半径。很明显，尖端电极需要一个相对较小的施加电压。点到平面的几何构造通常用于脉冲电晕放电，而点至点的几何构造通常用于脉冲电弧系统7。 sunka等人指出8，使用尖端的阳极放电，将会很容易被腐蚀，因此不得不寻找最佳的尖端阳极结构以延长其使用寿命。使用在水中等离子体放电，另一个值得关注的是水的导电性造成的对放电的限制8 9。由于冷却水中，水的导电性超过400 S /cm，通过电解高导电水形成火花放电变得更难，会消耗很大一部分的能量。洛克等人7最近公布了一则综述，参考了410多篇文献，研究了强电场在水中或有机工质中的应用。他们详细解释了不同类型的放电，水处理，物理放电，在水中进行的等离子放电等。高电压大电流放电时，两个水下电极之间的地方，由于热等离子体通道的形成，有很大一部分的能源消耗。该通道发出紫外线辐射，对周围的水产生强烈的冲击波10 11。电极周围的水被迅速加热，产生气泡，这有助于形成两个电极之间的离子通道。等离子通道可能有高达14,000-50,000K的温度。等离子通道由高电荷态离子，高压和高温气体组成。一旦形成，等离子通道会趋于扩大。等离子体通道中储存的能量消耗，通过辐射和传导到周边的水及机械中。在两相交界，高压水中积聚的等离子通过入水口传输，形成激烈的压缩波（即冲击波），以超过音速很大的速度运动。能量转移的声波能量，如下式所示12 ：其中r是从火花源到压力传感器的距离，0是水的密度， C0是声音在水中的速度， P0是环境压力。因而可以得出结论，火花放电产生的压力在接近火花源头的位置时，远远高于环境压力。传统意义上，高压力的冲击波可用于高电压绝缘和岩石破碎的研究13 ，近几年，已在其 他领域有了更多应用，包括体外碎石14 和废渣的金属回收15 。为了验证目前用于清洗过滤器火花放电这一理论，已建成了随着时间的推移，在不同的火花频率和流量条件下，测量过滤器表面的水的放电和跨压降的实验装置。据推测，沉积到水过滤器接口的火花冲击波的能量足以消除过滤器表面的污染物。本研究的目的是调查用火花放电清洗水过滤水这一方法的可行性。2. 方法实验的目的是通过在水中使用各种流量下的火花放电来测试自清过滤器的性能。该系统由两部分组成，一个具有过滤器的流动回路来模拟冷却塔系统和一个脉冲电源系统在水中产生火花。一个测试循环的示意图如图一所示，为了模拟过滤器表面的沉淀物，加以适当比例的氯化钙和碳酸钠，人为的配成碳酸钙含量为1000mg/L的硬水。为了减轻碳酸钙颗粒对机械零件的磨损，在测试系统中应用的是一台蠕动泵来使硬水循环。在测试系统中使用一个流量计阀门，将流速控制在50至100mg/min，在所有的试验中，5%的未经处理的水以切向流的形式绕过过滤器表面，值得注意的是，要想利用火花产生的冲击波来清除过滤器表面的污垢，这些切向流是必须的。一般来说，当大量的异物在过滤器表面堆积时，过滤器就必须要清洗或更换了。是否清洗或更换过滤器常常是由其流量或压降的变化来决定。当压降上升到一个确定的值或流量下降到一个确定的值时，就要清洗或更换过滤器了。在本实验中，差压传感器被用来测量面积是25cm2的过滤器表面的压降。我们要用数据模拟系统来采集从压力传感器得到的模拟信号，并且用电脑进行处理。在本次研究中，一个脉冲电源系统由三部分组成：一个电容储能的高压电源，一个由火花控制的开关，一个浸泡在水中的排放源。一个脉冲系统的示意图如图2所示，高电压电源提供了一个脉冲电源。通过一个充气的火花控制开关，电源相当于一个具有8.5-nF储存能力的电容。弧放电是由一个电源和电容产生的，这个放电器是有一个低阻抗的弧光组成的，通过它可以在纳秒时间内传递高功率的能量。通过对放电间隙和间隙间压降，来测量电流通过量，从而分析水中电力储存量。对于目前的磁性核心Pearson电流探头的测量是利用1 V/Amp +1/0%的敏感性，可用的上升时间为10ns，35 MHz带宽。电压是用以个1:1000带宽的电压探头来测量的。数据是由数字荧光示波器（DPS），（500 MHz带宽，5109样本/秒，TDS5052B泰克公司）的电压和电流探头的信号进行采集和记录的，然后使用自定义的MATLAB代码集成。典型的电压和电流波形如图3所示。通过火花间隙开关关闭，获得一个快速上升时间（8 NS），峰值间电压为29.6千伏。之前的火花形成的时间约为12微秒，在这段时间内，电解和光柱产生消耗了大量能量。在此之后，随即而来的急剧增加表明在流光到达另一电极后形成火花。火花放电时最大的脉冲半高宽度为3微秒，典型的峰 - 峰值击穿电流为116 A。值得一提的是在电解消耗的能量，与储存在电火花中的能量相当或更高，尤其是在高导水条下，因为他可以传导电流。储存在电容EB中的脉冲能量约为2.0 J，这是通过计算而来的，其中C为8.5 nF，VB电容器。的电压为21.5千伏。该值比电极的电压峰 - 峰值低得多的原因在于电路中存在振荡电路。通过集成的电压和电流,存入火花电源的能量可用以下公式来运算：其中，V（t）和I（T）是电压和电源，分别用示波器来测量。T1和T2是火花开始和结束时间。其结果约1.9焦耳/脉冲，结果显示，存储在电容器中的大部分能量最终转化为火花放电。在水中的火花放电源由半径为2毫米和5毫米的外露长度的316不锈钢丝电极（阳极），和一个作为过滤器表面和阴极的不锈钢网组成的。被削尖的阳极电极的尖端直径为0.2毫米，提供一个增强场，阳极和不锈钢网之间的距离是10毫米。不锈钢网的网口为10微米。在本实验中使用的自来水（费城市提供）的电导率约为400S/ cm的。当引入氯化钙和碳酸钠后，数值维持在1000S/ cm，在应用火花放电后，其导电性能无明显变化。3. 结果与讨论图4显示了从200到400毫升/分钟各种流量范围下无火花放电率下的压降的变化。在测试的初期压降为400毫升/分钟的流量约为50托，在t =3.5分时，渐近值接近400托，这表明表明过滤器完全被粒子覆盖。在三种不同的流速下，压降在第30秒开始缓慢增加，在接下来的2-3分钟里，压降增加相当迅速，分别到达各自的渐近值。图5显示了整个过滤表面在200，300和400毫升/分钟的流速下，在单火花放电后过滤器表面长时间的压降反应。我们可以直观地观察到，有些颗粒过滤器从表面脱落，通过切向流离开过滤器表面，然后压降突然变化，紧接着单火花放电，证明了污垢从过滤器表面脱落了。清洗效果是火花放电产生的压力脉冲的功劳。一些研究人员研究了通过火花放电气泡在17、18、19号水中生长的情况。最有效地模型是如下所示的Kirkwood-Bethe模型：其中，C和H，分别是水中的声音速度和气泡壁的比焓。R为半径的气泡壁。 overdots表示随时间而产生的衍生物。通过时间导数的比函作为等离子压力P的函数，或许可以将P解出：其中A，B和n是常数（=305.0兆帕，乙=304.9兆帕，N=7.15），R是压力传感器的火花源之间的距离，并且使用上面的等式，Lu et al.模拟出一个能量为4.1焦耳/脉冲的火花放电器，在0.3米的距离的距离下，其最大压力可达7个大气压。他的清洗效果可以用火花放电引起压力激增来解释，这已经强大到可以清除过滤器表面的任何污垢了。在应用单火花放电后，一个单脉冲，花了约3分钟压降返回到其渐近值。这表明，需要多次进行火花放电，才能在较长时间内从过滤器的表面有效的去除颗粒。图6显示了随着时间的推移，三个不同的流速下压降的变化。在每一分钟，由供应水（即未处理水）每分钟产生一个火花放电，这也是悬浮颗粒积聚的地方。在300毫升/分钟的情况下，在第一次火花放电后，压降的渐进值从最高时的350-230托开始下降。由于含杂质的水不断流过过滤器表面，如压图5所示在完成后的第一次火花放电后，压降开始增加。在随后的第二次和第三次放电后，压降分别比降到170和125托。在每个火花放电后，压降立刻开始增加。在第六次火花放电后，压降下降到65托，而随后的火花放电几乎令压降到达了最小值。在200和400毫升/分钟的情况下，也观察到类似的情况。图7显示了在2和4脉冲/分钟的频率下的重复脉冲火花放电下压降的变化情况。三个水平的箭头表明三种不同的流速下最初的渐进值，这是由于碳酸钙沉积物堵塞滤网表面而形成的最大压降。在这两种情况下第一次火花放电都对压降的下降起着重要的作用。在此之后，减少的速度放慢。因为火花脉冲的应用压降振荡达到准稳态条件，在这些振荡中，最大压降减少到其原来的渐近值的45，而最低的压降接近清洁过滤器的压降。这些结果表明了目前的火花放电方法的有效性。注意目前应用的火花放电的清洁方式必须要反复冲洗或停止水流来去除过滤器表面的污垢。此外，目前的火花放电法可以使通过过滤器的压降保持在一个相当低的值（即，几乎接近最初