一种沉浸式等离子体射流串联活化气水降解抗生素的方法

1.本发明涉及污染物处理技术领域，具体涉及一种沉浸式等离子体射流串联活化气水降解抗生素的方法。


背景技术：

2.近年来，药品和个人护理产品在过去几年中已被列为新兴污染物。其中，抗生素在世界范围内用于治疗人类和动物疾病。我国是世界药物生产大国，拥有全球最大的药品市场。随着社会经济的发展，抗生素等各类药品生产和使用量也迅速增加。自上世纪40年代青霉素开始应用于临床治疗以后，在六十年的发展过程中，抗生素的种类已有几千种，其中约有上百种抗生素已被应用于临床治疗。
3.我国是抗生素使用大国，据不完全统计，我国每年生产的抗生素高达数十万吨。并且，常规的生活污水处理厂的处理工艺往往不具备处理抗生素等特种废水的条件，部分水厂虽然装备了紫外光，臭氧等高级氧化工艺，但仍未能明显减少抗生素的排放量。根据2018年中科院某所公布的国内抗生素污染调查显示，中国每年约有超过5万吨的抗生素被排放进水土环境中。以部分最常被检测出的抗生素为研究对象，发现京津冀等地的海河流域和长江是国内抗生素排放量最大的区域，而珠江单位面积水体中的抗生素含量排名全国第一。另外，广东、江苏、浙江等经济发达地区也是污染重灾区。与国外相比，中国主要河流的总体抗生素浓度非常高，已评估的最高浓度达7560 ng/l，平均浓度为 303 ng/l。因此，抗生素在我国的造成的环境污染非常严重。
4.近年来，低温等离子体技术因其简单、高效、环保和无二次污染的特点，在污染物处理方面显示出巨大的潜力。等离子体放电过程中产生的自由电子在外加电场的作用下加速获能成为高能电子，这些高能电子与体系中的其他物质经相互碰撞而发生能量转移，使得相应的原子或分子被激发而形成一系列活性物质，包括活性自由基（羟基自由基、氧自由基等），氧化性分子（臭氧、过氧化氢），水合电子和紫外光等，能引发了一系列复杂的物理、化学反应，从而可以快速降解环境污染物。其最大优势在于处理时间短，绿色且环保。而当这些活性物质和液面作用后可得到一种低ph值高氧化还原电位的活化水。这些活化水中富含大量单线态氧、过氧亚硝酸、硝酸和亚硝酸等物质，也可被用于各种污染物的处理，其最大的优势在于产生的活化水具备一定的环保性，不会产生二次污染。
5.本发明提出一种气泡等离子体射流装置串联等离子体活化水和活化气降解抗生素的方法。降解抗生素是当前研究热点之一，人们也提出其它的方法。例如，公布号为cn108483556a的中国专利，公开了一种降解抗生素的方法，在常温、光源照射下，向含有抗生素的水体中加入磁性mil-101(fe)/tio2材料对抗生素进行降解，降解后对磁性mil-101(fe)/tio2进行磁性回收，循环利用。但该方法操作复杂，对材料方面的要求较高。本发明的特点是高效利用等离子体产生活性物质及活化水和活化气的特点，操作方便，不需要添加化学物质，没有二次污染，是一种绿色安全的处理方式。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有的抗生素处理工艺操作复杂，抗生素降解效率低的问题。
7.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种沉浸式等离子体射流串联活化气水降解抗生素的方法，包括以下步骤：（1）将待处理的抗生素溶液置于第一储水箱中，同时开启气体发生装置、等离子体发生器和喷枪；所述气体的流速为15-25l/min；所述喷枪的放电功率为350-400w；说明：等离子体在通过喷枪被注入到第一储水箱中，与水分子发生反应，形成了
·
oh，1o2，o2-, onooh 等活性物质，当气体的流速为15-25l/min时，可达到较好的活性物质产率，这些活性物质作用于待处理的抗生素溶液，诱导其降解。
8.（2）打开第一输水管上的第一控制器、第一排气管上的第二控制器，当第二储水箱内的液面与第一储水箱内的液面持平时，打开第一回水管上的水泵；说明：第一控制器打开，第一储水箱内的溶液被放入第二储水箱中，第二控制器打开，第一储水箱内带有活性物质的气体通过第一排气管进入到第二储水箱中，继续与第二储水箱中的溶液反应，进一步降解溶液中的抗生素；水泵将第二储水箱中的溶液回流至第一储水箱中，形成水循环，溶液被循环降解处理，提高了溶液的处理效率。
9.（3）当第二排气管上的检测控制器检测到气体中仍然含有活性物质时，打开第一回气管上的第三控制器；当第二排气管上的检测控制器检测到气体中不含有活性物质时，关闭第一回气管上的第三控制器，打开第二排气管上的排气阀；说明：第一回气管打开，第二储水箱中带有活性物质的气体回流至第一储水箱中，形成气循环，带有活性物质的气体对第一储水箱、第二储水箱中的溶液循环处理，充分利用了气体中的活性物质，提高了气体的利用率；第二排气管打开，不含活性物质的气体被排放到外界空气中，避免了活性物质可能对外界空气造成污染。
10.（4）当第二储水箱中的第二检测探头检测到溶液中抗生素的浓度小于10mg/l时，关闭水泵，打开第二储水箱中的排水管；当第一储水箱中的第一检测探头检测到溶液中的抗生素的浓度小于10mg/l时，关闭气体发生装置、等离子体发生器和喷枪；（5）当第二储水箱中的溶液排放完时，关闭第一控制器；当当第二排气管上的检测控制器检测到气体已排放完时，关闭第二控制器、第三控制器，处理完毕。
11.有益效果：本发明将气体发生装置、等离子体发生器、水泵、喷枪、第一储水箱、第二储水箱等装置进行巧妙组合，采用串联等离子体和等离子体产生的活化水和活化气共同降解水体中混合抗生素，操作简单，且形成了水循环和气循环的双循环处理，提高了抗生素降解效率和降解效果。
12.说明：活化水是指含有
·
oh，1o2，o2-，onooh 等活性物质的水，活化气是指含有o3，no，no2 等活性物质的气体。
13.优选的，所述步骤（1）中气体发生装置产生的气体为空气或氧气；所述气体发生装置为气泵或者储气罐。
14.优选的，所述步骤（1）中待处理的抗生素溶液的体积占第一储水箱体积的1/2-3/4。
15.优选的，所述步骤（1）中气体的流速为20l/min。
16.优选的，所述步骤（1）喷枪的放电功率为380w。
17.优选的，所述气体发生装置、等离子体发生器、喷枪、第一控制器、第二控制器、第三控制器、检测控制器、第一检测探头、第二检测探头均与总控制器通过电连接或者无线连接。
18.优选的，所述第一排气管的一端与第一储水箱的顶部相连接；所述第一排气管的另一端延伸至第二储水箱的内部液面以下；所述第一回气管的一端与第二储水箱的顶部相连接；所述第一回气管的另一端延伸至第一储水箱的内部液面以下。
19.优选的，所述第一排气管的另一端、第一回气管的另一端均连接有喷头。
20.优选的，所述第一储水箱中设置有第一液位检测器，所述第二储水箱中设置有第二液位检测器；所述第一液位检测器、第二液位检测均与总控制器通过电连接或者无线连接。
21.优选的，所述第一输水管和第一控制器用于将第一储水箱中的液体输送到第二储水箱中；第一回水管和水泵用于将第二储水箱中的液体回流至第一储水箱中。
22.本发明的优点在于：（1）本发明将气体发生装置、等离子体发生器、水泵、喷枪、第一储水箱、第二储水箱等装置进行巧妙组合，采用串联等离子体和等离子体产生的活化水和活化气共同降解水体中混合抗生素，操作简单，且形成了水循环和气循环的双循环处理，提高了抗生素降解效率和降解效果。
23.（2）这种组合处理的优势在于通过水下气泡放电等离子体射流装置可将提高待处理溶液中产生的活性物种的产量。使其一方面能在直接处理阶段提高污染物的去除效率；另一方面可进一步将促进抗生素的降解，有一定的延时效应，同时等离子体产生活性气体再次通入抗生素溶液中进一步增强抗生素的去除，进而使得抗生素的去除达到标准。
附图说明
24.图1为本发明的工艺流程图。
25.图中，1-气体发生装置，2-第一输气管，3-第三控制器，4-等离子体发生器，5-电线，6-水泵，7-喷枪，8-第一储水箱，9-第一输水管，10-第二储水箱，11-第一回水管，12-第一排气管，13-第二控制器，14-喷头，15-检测控制器，16-第一回气管，17-第二排气管，18-第一控制器，19-排气阀。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例1：一种沉浸式等离子体射流串联活化气水降解抗生素的方法，包括以下步骤：（1）将1l待处理的抗生素溶液（诺氟沙星和氯霉素溶液各0.5l，浓度均为100mg/l）置于第一储水箱中，同时开启气体发生装置、等离子体发生器和喷枪；气体发生装置产生的
气体为空气；气体的流速为20l/min；喷枪的放电功率为380w；气体发生装置为气泵；气体发生装置、等离子体发生器、喷枪均与总控制器通过电连接；（2）打开第一输水管上的第一控制器、第一排气管上的第二控制器，当第二储水箱内的液面与第一储水箱内的液面持平时，打开第一回水管上的水泵；第一储水箱中设置有第一液位检测器，第二储水箱中设置有第二液位检测器；第一输水管和第一控制器用于将第一储水箱中的液体输送到第二储水箱中；第一回水管和水泵用于将第二储水箱中的液体回流至第一储水箱中；第一排气管的一端与第一储水箱的顶部相连接；第一排气管的另一端延伸至第二储水箱的内部液面以下；第一控制器、第二控制器、水泵、第一液位检测器、第二液位检测均与总控制器通过电连接；（3）当第二排气管上的检测控制器检测到气体中仍然含有活性物质时，打开第一回气管上的第三控制器；当第二排气管上的检测控制器检测到气体中不含有活性物质时，关闭第一回气管上的第三控制器，打开第二排气管上的排气阀；第一回气管的一端与第二储水箱的顶部相连接；第一回气管的另一端延伸至第一储水箱的内部液面以下；（4）当第二储水箱中的第二检测探头检测到溶液中抗生素的浓度小于10mg/l时，关闭水泵，打开第二储水箱中的排水管；当第一储水箱中的第一检测探头检测到溶液中的抗生素的浓度小于10mg/l时，关闭气体发生装置、等离子体发生器和喷枪；第一检测探头、第二检测探头均与总控制器通过电连接；（5）当第二储水箱中的溶液排放完时，关闭第一控制器；当当第二排气管上的检测控制器检测到气体已排放完时，关闭第二控制器、第三控制器，处理完毕。
28.使用时，第一检测探头检测到第一储水箱中活性物质的总浓度达到约151
µ
mol/l，处理完毕之后，数据显示，喷枪处理时间为52分钟，经检测，排放的溶液中诺氟沙星的浓度为0.795 mg/l，氯霉素的浓度为7.435 mg/l，即诺氟沙星的去除率达到98.41%，氯霉素的去除率达到85.13%。
29.实施例2：一种沉浸式等离子体射流串联活化气水降解抗生素的方法，包括以下步骤：（1）将1l待处理的抗生素溶液（诺氟沙星和氯霉素溶液各0.5l，浓度均为100mg/l）置于第一储水箱中，同时开启气体发生装置、等离子体发生器和喷枪；气体发生装置产生的气体为空气；气体的流速为15l/min；喷枪的放电功率为350w；气体发生装置为储气罐；气体发生装置、等离子体发生器、喷枪均与总控制器通过无线连接；（2）打开第一输水管上的第一控制器、第一排气管上的第二控制器，当第二储水箱内的液面与第一储水箱内的液面持平时，打开第一回水管上的水泵；第一储水箱中设置有第一液位检测器，第二储水箱中设置有第二液位检测器；第一输水管和第一控制器用于将第一储水箱中的液体输送到第二储水箱中；第一回水管和水泵用于将第二储水箱中的液体回流至第一储水箱中；第一排气管的一端与第一储水箱的顶部相连接；第一排气管的另一端延伸至第二储水箱的内部液面以下；第一控制器、第二控制器、水泵、第一液位检测器、第二液位检测均与总控制器通过无线连接；（3）当第二排气管上的检测控制器检测到气体中仍然含有活性物质时，打开第一回气管上的第三控制器；当第二排气管上的检测控制器检测到气体中不含有活性物质时，关闭第一回气管上的第三控制器，打开第二排气管上的排气阀；第一回气管的一端与第二
储水箱的顶部相连接；第一回气管的另一端延伸至第一储水箱的内部液面以下；（4）当第二储水箱中的第二检测探头检测到溶液中抗生素的浓度小于10mg/l时，关闭水泵，打开第二储水箱中的排水管；当第一储水箱中的第一检测探头检测到溶液中的抗生素的浓度小于10mg/l时，关闭气体发生装置、等离子体发生器和喷枪；第一检测探头、第二检测探头均与总控制器通过无线连接；（5）当第二储水箱中的溶液排放完时，关闭第一控制器；当当第二排气管上的检测控制器检测到气体已排放完时，关闭第二控制器、第三控制器，处理完毕。
30.使用时，第一检测探头检测到第一储水箱中活性物质的总浓度达到约130
µ
mol/l，处理完毕之后，数据显示喷枪处理时间为58分钟，经检测，排放的溶液中诺氟沙星的浓度为3.895 mg/l，氯霉素的浓度为9.705 mg/l，即诺氟沙星的去除率达到92.21%，氯霉素的去除率达到80.59 %。
31.实施例3：本实施例与实施例1的区别在于：将步骤（1）中的“气体的流速为20l/min；喷枪的放电功率为380w”改为“气体的流速为25l/min；喷枪的放电功率为400w”，其他步骤同实施例1。
32.使用时，第一检测探头检测到第一储水箱中活性物质的总浓度达到约142
µ
mol/l，处理完毕之后经检测，数据显示喷枪处理时间为50分钟，经检测，排放的溶液中诺氟沙星的浓度为0.505 mg/l，氯霉素的浓度为4.695 mg/l，即诺氟沙星的去除率达到98.99%，氯霉素的去除率可以达到90.61%。
33.实施例4：本实施例与实施例1的区别在于：将步骤（1）中“气体发生装置产生的气体为空气”改为“气体发生装置产生的气体为氧气”，其他步骤同实施例1。
34.使用时，第一检测探头检测到第一储水箱中活性物质的总浓度达到约148
µ
mol/l，处理完毕之后经检测，数据显示喷枪处理时间为40分钟，经检测，排放的溶液中诺氟沙星的浓度为1.795 mg/l，氯霉素的浓度为6.435mg/l，即诺氟沙星的去除率可以达到96.41%，氯霉素的去除率可以达到 87.13%。
35.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。