《快脉冲放电等离子体有机废水处理系统》

1、快脉冲放电等离子体有机废水处理系统复旦大学刘克富教授团队采用快脉冲放电等离子体对有机废水进行无害化处理的技术（以下简称“本技术”），具有广阔的应用前景，但对其进行商业化运作需要有技术、知识产权和市场上的难题需要克服，本报告将整体描述这三个方面，以作为商业化的工作指导。一.综述根据废水内的污染物成分与含量的不同，需要采用不同的处理方式，按其作用原理可分为物理法、化学法、物理化学法和生物处理法四大类，污水中的污染物质是多种多样的，不能预期只用一种方法就能够把污水中所有的污染物质去除殆尽，一种污水往往需要通过几种方法组成的处理系统，才能达到处理要求的程度1。快脉冲放电等离子体有机废水处理系统应当归为

2、化学法中的一种，属于高级氧化技术,其在过程中产生氧化能力极强的羟基自由基OH，使大多数难降解的有机污染物氧化降解为低毒或无毒的小分子物质。现有的高级氧化技术包括紫外、臭氧、双氧水以及它们混合使用等方法，这些氧化技术存在运行费用过高、氧化剂消耗量大等缺点，使其普遍推广应用受到限制。近年来，快脉冲放电等离子体技术用于难降解污染物处理已经被实验证明是一种行之有效的方法，受到国内外学者的广泛关注2。快脉冲放电等离子体污水、废水处理新技术是集高能电子、臭氧氧化、紫外辐射于一体的全新概念高级氧化法。其原理是利用高压纳秒脉冲功率源在待处理污水中放电，产生大面积丝状放电通道，在放电空间迅速传播引起雪崩效应。由

3、于放电瞬间释放高压脉冲大功率，在水中产生超强紫外光、臭氧和高能电子协同的“先进氧化处理”作用，在反应器中直接产生活性极强的自由基，通过自由基与有机化合物之间的聚合、取代、电子转移、断键等作用，使水体中的大分子、难降解有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成CO2 和H2O ,接近完全矿化，达到降解、氧化、脱色、杀菌效果。其技术优势表现在如下四个方面：一，多种物理效应协同“先进氧化处理”作用。快脉冲放电等离子体直接与污水大面积接触，直接产生活性极强的自由基，对污水进行高级氧化作用，具有不可替代的综合优势；二，工艺结构简单。可随时处理，不存在氧化剂生产和存储问题，也不存在二次污染的问

4、题；三，处理效率、耗能低。快脉冲放电等离子体具有作用效果强，电能利用效率高，大部分能量用于有机物分解电离，而不是变成热量，具有能耗低的独特优势，因而使得该技术具有普遍推广应用价值；四，具有杀菌灭毒效果。由于放电产生超强紫外光、臭氧作用，对污水具有明显的灭菌消毒作用效果。快脉冲放电等离子体高级氧化法未来首先将在中药废水毒性降解、农药毒性降解、医药抗生素等行业大幅推广。据刘克富教授介绍，目前他们的研究团队正在与北京同仁堂中药研究院合作，针对中药废水毒性降解开展研究。中药的需求量增大，导致炮制中药的污水也增加，而毒性废水不能和普通废水一起进行生化处理。中药过滤后的废水中含有大量有毒、甚至剧毒物质，1

5、-2毫克川乌浸泡液就可致人死亡。通过对小白鼠和斑马鱼的动物实验，证实用快脉冲放电等离子体高级氧化法来降解中药毒性，效果可达95%以上。目前该研究还在进行中，下一步将加大推广力度。二.关键问题要产生等离子体放电，首先要解决好放电电源的问题。复旦大学刘克富团队研制成功的全固态高压脉冲功率源可以瞬间释放超大功率（MW量级），为其提供了充足的驱动源。其次是放电电极的设计，高压脉冲放电方式按外加电压可分为交流、直流、脉冲三种；按介质与反应的相态可分为气相（液膜表面的气体放电）、液相（水中放电）、气液混合两相放电等几种。近年来各种放电方式在国内外得到了广泛应用4。第三是污水处理系统的设计，连续和大流量的污

6、水处理系统，需要根据其成本和产量作出合理的设计以满足需求，将实验室已经完成的原理性技术转化为工业应用层级的应用技术，尚需要更多地具体设计。三.刘克富教授团队的技术优势刘克富教授近年来参与负责完成国家重大项目神光III能源模块大型脉冲功率电源设计和研制，负责完成了华中科技大学教育部强磁场脉冲功率电源系统设计以及多项国防科研项目研究，在高功率电源技术方面具有深厚的沉淀。而快脉冲放电等离子体有机废水处理系统中，电源是其中最关键的环节。以刘克富作为发明人检索中国专利，共有23件，经过人工筛选，与本技术相关的专利为如下5件。主题名称公开号状态1全固态高压纳秒脉冲电源CN101534071B有效2纳秒脉冲

7、放电等离子体处理难降解有机污水的设备CN101565228B失效3等离子体放电去除中药废水毒性的装置CN103466747A审中4具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源CN103490661A审中5具有单极性脉冲输出的全固态高压脉冲电流源CN103618472A审中上述专利或申请以复旦大学为专利权人，其中第1、4和5为关于电源的核心技术，但只有第1件授权，另外2件仍在审中，授权前景不明。第2和3件为采用本技术的污水处理系统，但第2件已经失效，第3件授权前景不高，被驳回的可能性很大。因此，刘克富教授团队目前掌握着电源技术的核心专利，但并不具备整个污水处理系统或放电电极的专利。四.技术就绪水平本技

8、术能够用于难降解的有机废水的无害化处理，早在80年代便已经在实验室内得到了证实。由于其只耗费电源，不耗费催化剂的成分，因此应用范围广泛，长期运行起来成本较低。经过多年的发展，本技术的研究方向已经逐渐确定，本技术主要由电源和反应器构成，电源的性能确定后，要提高反应能力和能力利用率，就需在反应器、操作条件和添加催化剂上下功夫。近几年来，高压脉冲放电等离子体技术在反应器设计、催化剂的选择评价、实验条件的优化方面做了不少尝试，取得了很大进步。反应器按电极结构分类，可分为棒-棒、针-板、线-板、线-筒、环-筒、板-板等反应器。反应器电极的材料也影响反应器的降解性能，一般采用镍、铬电极，现在一些学者采用铂

9、电极，效果不错。放电方式不同，降解效果也不同。另外，增大处理液体与非平衡等离子体的接触面积能够提高反应器的降解效率。并且，通入氧气的效果远远好于空气、氩气和其它氮化气。可见，利用反应器尽可能地增加等离子体与水接触的面积，能有效提高降解效果。一般作为催化剂的有亚铁离子、三价铁离子、H2O2、二氧化钛、大孔吸附性物质等。反应条件指的一般是鼓入气体、脉冲峰值电压、脉冲频率、放电电极直径和放电距离等的可调操作条件。脉冲成形电容有一最佳值，降解率随脉冲峰值电压、脉冲频率增大而升高，随放电电极直径和放电距离的减小而增大，随苯酚入口质量浓度增大而增大。氰化物的去除率随着通入空气流量的增加和放电电压的提高而增

10、加。国内外针对本技术的研究主要集中在对模拟染料废水的脱色上，也有部分研究水的消毒杀菌和焦化废水和氰化物等有机物的降解，但很少有在实验中处理高电导率的实际废水，而实际工程应用更是凤毛麟角；反应器的设计主要着眼于实验研究，处理水量小，很难放大到实际工程中；对水处理的机理和规律以及对等离子体的诊断的研究也不够；设备的投资大，处理成本相对较高，也是阻碍其发展的因素3。以文献3的分析来看，目前还没有采用本技术做工业化处理的案例，均停留在实验室研究的范畴。制约本技术的实际应用的因素，可能是因为处理机理的研究诊断尚不够充分，导致处理效果并不能保证；或者是一次性投资过大，处理成本相对其他常规运营的污水处理手段

11、较高。刘克富教授研发的“全固态高压纳秒脉冲电源”虽然已经做出成品，能够用于实验室研究，但如果要用于工业规模上处理污水还需要经过小试和中试，做规模化的实验、调教甚至改良，例如包括：如何更高效迅速的完成处理，装置和污水流量比例如何，污水箱有无外观设计要求，成本是否在药企可接受范围内等方面。即便是电源本身，可能仍然需要更多的研发设计。理论上来说“高压纳秒脉冲电源”是一种电源的新形式，“全固态”是其提高电压所采用的固态半导体开关的形式，虽然该电源已经成熟，但若要将其运用到工业化规模，其能否承担长期不间断地高效运行，对于电源技术来说也是严峻的挑战，还需要刘克富教授团队来完成。从技术角度来考虑，本技术核心

12、部分已经是完备的，实验室处理印染污水经一小时的处理可以达到完全澄清。但要进入实际应用还需要客服一些实际困难，解决很多问题，如：处理后水质是否能达到相应排放标准？要循环处理多少次才能达到排放标准？水处理成本如何？设计的反应装置成本是否过高？占地是否过大？每小时水处理量有多大？处理时是否有新的毒物出现？装置放大后处理效率是否会发生变化？等等。这些实际问题的解决将会形成系列的专利。钟：还有环境安全情况；涉及电流等、可能还需要大规模使用后的工作人员人身安全情况。总而言之，刘教授目前在找愿意合作的理想对象，比如环保企业或者是不差钱的国有单位（如 军工），进行放大研究。因此该技术的研究应处于：正根据不同行

13、业有机废水的成分进行产品调试及中试放大研究阶段。其中有毒中药废水处理的研究最早进行，应该处于中试阶段，但由于市场与资金的问题没有进行进一步的推进和细化工作。鉴于刘克富教授还没有完成最后实际技术的设计测试等，所以评估技术就绪水平为7：在使用环境下演示技术原型。钟：目前上市的环保型企业还是有一定数量的，如碧水源等，可以考虑与他们合作，他们以增发等方式进行技术转让，如此能够通过社会的钱来启动这个项目，同时刘教授的利益也能够得到保证。五.相关专利分析本技术本质上属于氧化方式进行水处理技术领域，因此IPC分类号为：C02F1/72C 化学；冶金 C02 水、废水、污水或污泥的处理 C02F 水、废水、污

14、水或污泥的处理 1/00 水、废水或污水的处理C02F 3/00至C02F 9/00优先）1/72 .氧化法检索相关专利的检索词应为“摘要：等离子” and “IPC：C02F1/72”，能够囊括全部采用等离子体进行水处理的专利。检索结果为38件已经授权并维持有效的中国发明或者实用新型专利。限于篇幅不能一一分析，但从中能够得出如下结论：1、专利权人分布广泛，每个专利权人一般仅拥有两三件专利，在该领域还未存在占据绝对领先地位的专利权人；2、专利权人绝大多数为科研单位、大专院校，仅有10个企业,尚未有太多的专利权人进入研究；3、申请日最早自2007年起，说明在本技术比较新，最近几年才开始进行更多地

15、技术方案的研究。六.知识产权保护策略在专利、商标、版权和商业秘密中，专利和商业秘密是本技术应当进行布局的知识产权，这里主要涉及专利的保护策略。专利的布局应当以现有技术的分析调研为基础，并以自身的技术开发程度为依据，处于不同市场地位的主体应当采用不同的知识产权策略。本技术处于尚未工业应用的小试或者中试阶段，技术原理已经通过实验室研究获得验证，因此需要专利保护的技术更多的是根据实际工况进行工业化配置的技术。专利保护策略的目标是抢占核心技术点，确保排斥竞争对手，使得投资者能够垄断市场，获得更高利润。因此，知识产权的数量和质量是投资者愿意参与的重要因素。为此，提出四大专利布局策略：1.技术拆分应当为每

16、个关键的技术节点单独申请发明专利，拆分细化，确保每一个技术点均为竞争对手不能规避的要点。例如，应当单独为不同工况下的不同电源、不同的电极设计形式、反应塔的多种变化的结构等各自申请专利。在任何一个作出改进的部分均要进行申请，甚至例如曝气池的结构、喷头的结构、水泵和水箱的不同设计，均可能有专利申请产生，而不要集中于看起来具有技术突破性的技术才申请专利。2.前瞻性申请技术人员申请专利一般以自己做出了研究设计，能够解决其技术问题才申请专利。但实际上，应当在理论上作出预测，能够解决技术问题时，便应当申请专利。也许很多技术方案是不可能实现的，但在实践中验证其不能实现需要较长时间，也应该抢先申请专利，这样才

17、能在其他竞争对手进行研发之后抢占这些技术要点。3.上下游扩展不要局限于本技术本身申请专利，要在上下游也申请若干专利，以便能够进行产业链上的控制。例如，污水处理的上游技术包括电源和电机的材料和加工等技术，以及污水处理的下游技术，包括处理后的水的应用技术。对产业链的上下游均进行扩展，能够有助于对竞争对手全产业链的钳制，促进投资者的投资意愿。4.预测围堵竞争对手的研发充分调研采用等离子体处理废水的各种专利申请，随时掌握本行业内的发展方向，评估竞争对手的技术实现程度，未来可能产生市场竞争的对手多半是在这些专利权人的范围内。因此，有必要在这些竞争对手的技术领域内也申请一些干扰性专利，从而在可能产生市场竞

18、争时作为杀手锏起到关键作用。钟：上面分析确实已经发现技术还是有点分散的，可以趁这个市场还没有起来时，其他潜在竞争者以及攸关方仍没有意识到技术及专利价值时低价进行对于特定技术以及专利的收储，如此能够形成一个更强有力的专利组合。七.本技术的SWOT分析针对本技术做市场SWOT分析如下：优势（Strength）1技术先进。目前是国内首个利用等离子快脉冲放电处理有机废水，并已解决核心技术难题；2为企业提高效率。快脉冲放电等离子体技术可以快速完成中药废水处理过程，处理效果良好、效率高，可以大大提高企业生产效率；3易于规模化生产。该装置有特定设计的工艺结构，占地空间不大，企业容易接纳；4长期综合成本极低。

19、该装置有较长使用寿命，且不使用额外试剂，因此相较于传统处理方式，对其的一次性投资可以为企业节省试剂购买、储存等费用；5市场潜力巨大。由于中药需求日益增加，炮制中药的污水也随之增加，该技术拥有旺盛的市场需求。劣势（Weakness）1.需经常性调整、调试装置参数。对于不同成分的有机废水，处理的方法极有可能不尽相同，因此需要根据水体状况随时做出调整，耗费研发团队人力、物力；2.前期投资成本较高。相较于降解有机物废水常规的处理方法，该技术前期一次性投资较大，中小型企业恐难以负担；钟：3.仍需要较长时间进行完善技术、测试及推广。机会（Opportunity）1.“快脉冲放电等离子体有机废水”处理装置推广行业广泛。研发团队首先将在中药废水毒性降解、农药毒性降解、医药抗生素等行业大幅推广；2.该装置核心技术具有广泛的应用前景。其核心技术“固态高压脉冲功率源”除了在工业废气处理、脉冲放电除尘、难降解工业污水处理等环保领域起着重要作用，还可在国防工程、能源、工业领域有相当运用；3.技术就绪水平高，并具备一定市场渠道。研发团队目前已与多个行业多个领域的研究所、