H型低温等离子体氧化还原分区降解全氟化合物装置

本发明涉及低温等离子体水处理领域，具体涉及h型低温等离子体氧化还原分区降解全氟化合物装置。

背景技术：

1、随着全氟和多氟烷基物质环境风险的逐渐明确，部分长链全氟化合物及相关含氟产品已在多个国家和地区受到限制、淘汰或替代，含氟消防泡沫、含氟表面活性剂及相关工业助剂的使用也逐步受到管控。然而，由于该类物质曾长期应用于消防训练场、机场、军用基地、电镀、纺织整理、半导体制造及相关化工生产过程，历史库存、既有污染场地、含氟废水、泡沫残液及环境介质中的残留问题仍然突出。全氟和多氟烷基物质通常具有较强的c—f键、较高的化学稳定性和环境持久性，进入水环境后不易被常规生物处理、混凝沉淀或自然降解过程去除，容易在地下水、地表水及污染场地渗滤液中长期迁移和残留，并可能对水生态安全和人体健康产生潜在风险。因此，开发适用于历史残留全氟污染物深度转化和脱氟降解的新型处理装置及方法具有重要意义。

2、现有全氟污染物处理技术主要包括吸附分离、膜分离、高级氧化、电化学还原、光催化和热化学处理等方式。吸附和膜分离技术能够实现污染物富集，但通常只是将全氟污染物从水相转移至吸附材料或浓缩液中，难以实现污染物的彻底破坏；高级氧化技术可产生羟基自由基、臭氧、过氧化氢等氧化性物种，对部分含氟前体物具有一定转化作用，但对于全氟羧酸、全氟磺酸等末端全氟酸类物质，其c—f键结构稳定，单一氧化过程往往难以实现高效脱氟；电化学还原和强还原体系虽然可促进c—f键断裂，但反应条件、能耗、传质效率和活性物种利用率仍存在一定限制。

3、低温等离子体技术能够在常温常压条件下原位产生高能电子、羟基自由基、臭氧、过氧化氢、氢自由基、溶剂化电子、紫外辐射及局部强电场等多种活性因素，可用于难降解有机污染物的氧化转化和还原断键处理。与传统化学药剂处理相比，低温等离子体具有反应速度快、无需大量外加药剂、活性物种原位生成和运行方式灵活等优点，在全氟污染物降解领域具有较好的应用潜力。

4、然而，现有低温等离子体水处理反应器多采用单室结构或未分隔反应体系，氧化性活性物种和还原性活性物种通常在同一空间内同时生成并相互竞争，容易发生自由基猝灭和电子消耗，导致活性物种利用效率降低，反应路径难以调控。对于全氟污染物而言，含氟前体物通常需要氧化转化或结构活化，而全氟羧酸、全氟磺酸等稳定末端产物则更依赖水合电子、氢自由基等还原性物种实现 c—f键断裂和脱氟。因此，需要一种能够在同一体系内实现氧化区和还原区空间分隔、同时保持离子传导和放电稳定性的低温等离子体反应装置及其使用方法，以提高全氟污染物的分区转化、定向降解和脱氟效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种h型低温等离子体氧化还原分区降解全氟化合物装置，以解决现有技术中低温等离子体水处理反应器中容易发生自由基猝灭和电子消耗，导致活性物种利用效率降低，反应路径难以调控的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的h型低温等离子体氧化还原分区降解全氟化合物装置，包括：

3、设置在高压直流供电模块上部的支撑底座；

4、设置在所述支撑底座上部的降解组件，包括位于膜组件两侧的第一反应室、第二反应室；所述膜组件用于阻隔第一反应室和第二反应室中的反应液直接混合，使第一反应室和第二反应室分别形成氧化反应区和还原反应区；

5、第一反应室内设置第一多针放电电极，第一多针放电电极与第一低温等离子体放电组件的一端连接，第一低温等离子体放电组件的另一端与高压供电模块正极相连接；

6、第二反应室内设置第二多针放电电极，第二多针放电电极与第二低温等离子体放电组件的一端连接，第二低温等离子体放电组件的另一端与高压供电模块负极相连接；

7、第一反应室和第二反应室分别通过供气管道与气体供给模块连通，用于供给放电气体。

8、进一步的，所述第一反应室和第二反应室均为竖直筒状反应室，二者之间通过横向连接管连通，所述膜组件安装于横向连接通道中央。

9、进一步的，所述膜组件包括膜夹持件、交换膜、紧固螺栓和密封垫圈；所述膜夹持件分别设置于交换膜的两侧，用于夹持并固定交换膜；所述紧固螺栓穿设于膜夹持件上，用于将两侧膜夹持件锁紧；所述密封垫圈设置于横向连接管与膜组件的连接处，用于提高第一反应室和第二反应室之间的密封性。

10、进一步的，所述第一多针放电电极与第二多针放电电极均包括多个针状电极，所述针状电极呈阵列式分布；所述针状电极包括钨针电极、不锈钢针电极、钛电极、铂电极、石墨电极中的至少一种。

11、进一步的，所述高压供电模块为高压直流电源、高压脉冲电源、高频高压电源中的一种。

12、进一步的，所述气体供给模块包括连接气源的气体连接管路，气体连接管路上分别设置气体调节阀、气体流量计;所述气体供给模块供给的放电气体为氩气、氮气、空气、氧气其中一种或几种。

13、一种h型低温等离子体氧化还原分区降解全氟化合物装置的使用方法，包括以下步骤：

14、s1.污染物溶液加入：向第一反应室和第二反应室中分别加入待处理含全氟污染物水样或模型污染物溶液；

15、s2.气体供给：启动气体供给模块，分别向第一反应室和第二反应室通入预设放电气体；

16、s3.高压供电：启动高压供电模块，向第一低温等离子体放电组件和第二低温等离子体放电组件提供高压电能；

17、s4.低温等离子体分区放电：第一多针放电电极在高压作用下于第一反应室3内产生低温等离子体放电，第二多针放电电极在高压作用下于第二反应室9内产生低温等离子体放电，并在膜组件的分隔作用下，第一反应室内形成氧化反应区，产生氧化性活性物种，第二反应室内形成还原反应区，产生还原性活性物种；

18、s5.全氟污染物降解：利用第一反应室中产生的氧化性活性物种对含全氟污染物水样或模型污染物溶液中的含氟前体物进行氧化转化或结构活化，利用第二反应室中产生的还原性活性物种对其转化产物等全氟及多氟烷基物质进行还原断键和脱氟降解。

19、进一步的，还包括：

20、s6.效果评价：反应结束后，通过检验第一反应室与第二反应室中的残余液体中的氧化还原电位、酸碱度、溶解氧、活性物种浓度、污染物去除率和氟离子释放量，通过比较反应前后全氟污染物的去除率、转化产物分布和脱氟率，评价本装置对全氟污染物的分区转化和降解效果。

21、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

22、1、本发明将 h型双室反应结构、膜组件和低温等离子体放电组件相结合，可在同一反应装置内同步构建氧化反应区和还原反应区，有利于解决传统单室等离子体反应体系中氧化性物种与还原性物种相互混合、相互猝灭的问题，提高活性物种利用效率。

23、2、本发明采用膜组件将第一反应室和第二反应室分隔，能够阻隔两侧反应液的直接混合，从而在维持体系电荷传递和反应连续性的基础上，实现氧化还原微环境的空间分区。

24、3、本发明在第一反应室和第二反应室内分别设置低温等离子体放电组件，并通过高压供电模块同步供电，使两侧反应室均可在气液界面附近产生低温等离子体放电，可使第一反应室富集羟基自由基、臭氧、过氧化氢等氧化性活性物种，使第二反应室富集水合电子、氢自由基或惰性气体激发态粒子等还原性活性物种。

25、4、本发明采用多针放电电极结构，利用针尖端部的局部电场增强效应，有利于在较低能耗条件下形成稳定的辉光放电，提高气液界面活性物种的生成效率，并增强对全氟污染物的氧化转化、还原断键和脱氟降解作用。

26、5、本发明适用于全氟羧酸、全氟磺酸及含氟前体物等全氟和多氟烷基物质的分区处理。对于含氟前体物，可利用氧化反应区进行结构活化或氧化转化；对于稳定末端产物，可利用还原反应区促进 c—f键断裂和氟离子释放，从而提高全氟污染物深度降解的针对性。

27、6、本发明不仅保护h型低温等离子体氧化还原分区降解全氟化合物装置的结构，还保护基于该装置的全氟污染物分区降解方法，有利于拓展低温等离子体技术在含氟污染水体处理、历史污染场地修复液处理及含氟废水深度净化中的应用范围。