一种交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法技术

本发明专利技术公开了一种交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，将方波交变电压施加到纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置的两个电极之间；所述方波交变电压的高电平电压为1～5V，低电平电压为

【技术实现步骤摘要】
一种交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法


[0001]本专利技术涉及环保水处理领域，特别涉及一种交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法。

技术介绍

[0002]随着纳米技术的发展，具有高长径比(长度与直径的比值)的导电纳米线通过空间尺度的避雷针效应，可在低供电压下促使尖端区域形成强电场。微生物短暂(μs
‑
ns)暴露于电场强度高于105V/m后，细胞膜磷脂双分子层和蛋白质衣壳变得不稳定，形成磷脂膜孔或打开蛋白质通道，导致胞内物外渗，发生膜穿孔灭活。由此衍生的纳米线电穿孔消毒技术具有低电压驱动、副产物生成潜势低、无微生物复活等优点，近年来在水处理消毒应用中逐渐受到关注。
[0003]纳米线电穿孔消毒技术本质上是一种固液界面反应。纳米线阵列界面电场强度随着与纳米线尖端距离的增加显著降低，微生物需传质于强电场范围内，才能发生膜穿孔灭活；同时，灭活的微生物需及时从电极表面脱离，才能实现电极强电场界面的更新和稳定的消毒。
[0004]然而，目前纳米线电穿孔消毒技术主要采用直流电压供电方式。在常规再生水pH 6.0
‑
9.0范围内，微生物(细菌和病毒的等电点分别在pH 2
‑
5和4.0～5.5之间)表面带负净电荷。电场引力会驱使微生物暴露于阳极强电场界面，但微生物会逐渐吸附和累积于阳极表面，导致阳极强电场界面逐渐“钝化”；电场斥力会驱使微生物往低电场区域移动，导致阴极对微生物灭活效率低。
[0005]传统的电穿孔消毒实验主要在直流电压下电极材料消毒效果的优化，电穿孔消毒装置中的阳极为金属氧化物电极或碳布电极，阴极为起到导电作用的相同材料制成，但该系统工作时阴极不发挥作用，这样会降低电流的使用率，增加运行成本；失活后的微生物沉积在阳极的表面，会造成反应面积降低，导电性能下降，影响消毒效果以及能耗成本。
[0006]综上所述，针对直流电压供电方式下的纳米线电极污染和消毒效率逐渐降低等问题，亟需探求高效、稳定的纳米线电极电穿孔消毒运行方式来提高消毒效果。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，能够防止单阳极消毒过程中带负电微生物在电极板表面的聚集，有防止阳极结垢的能力，可提高对极板的利用率，延长极板的使用寿命，实现高效、稳定的消毒效果，并具有低能耗、高效率的优点。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，将方波交变电压施加到基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置的两个电极之间；
[0010]所述方波交变电压的高电平电压为1～5V，低电平电压为
‑
5～
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1V；过低的电压会
导致纳米线尖端产生的电场强度不能对微生物细胞膜造成不可逆穿孔；较高的电压会增强水中副反应，消耗更多的能量。
[0011]优选的，所述方波交变电压的频率f满足以下条件：0<f≤2.5Hz。
[0012]优选的，所述方波交变电压的占空比为25％～75％。
[0013]优选的，所述基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置包括进水口、反应室、纳米线多孔工作电极、纳米线多孔对位电极、绝缘层和出水口；
[0014]所述绝缘层设于反应室内，将反应室分割为工作电极室和对位电极室；所述纳米线多孔工作电极、纳米线多孔对位电极分别设于工作电极室和对位电极室内。
[0015]优选的，所述基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置还包括设于反应室和进水口之间的蠕动泵。
[0016]优选的，所述纳米线多孔工作电极为金属氧化物纳米线负载的多孔工作电极。
[0017]优选的，所述纳米线多孔对位电极为金属氧化物纳米线负载的多孔对位电极。
[0018]优选的，所述金属氧化物纳米线为二氧化钛纳米线。
[0019]优选的，所述的交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
[0020]S1将交流方波电源连接至基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置的纳米线多孔工作电极和纳米线多孔对位电极之间；
[0021]S2使待消毒的溶液从基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置的进水口进入，启动方波电源；
[0022]当方波电源的高电平供给纳米线多孔工作电极，负电平供给纳米线多孔对位电极时，由于电场引力微生物富集在纳米线多孔工作电极界面，微生物在电极界面失活；
[0023]当方波电源的高电平供给纳米线多孔对位电极，微生物在纳米线多孔对位电极界面失活，并富集于此界面；负电平供给纳米线多孔工作电极，原先富集在纳米线多孔工作电极表面的微生物由于电场斥力驱除；
[0024]S3处理后的溶液从基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置的出水口流出。
[0025]优选的，所述待消毒的溶液以25
‑
50mL/min的流速从基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置的进水口进入；过低的流速会导致系统水处理能力弱，能耗高；过高的流速将缩短微生物与电极的接触时间，从而削弱灭活效率。
[0026]在本专利技术中，微生物灭活机制主要是纳米线电穿孔，通过交变电场强化纳米线电极电穿孔消毒的运行方式；微生物以内过滤方式接触多孔电极上的纳米线。电极内过滤消毒装置的一个多孔电极为工作电极，另一个多孔电极为对位电极，通过一定频率的方波交流电源供给两个多孔电极，两个多孔电极包括工作电极和对位电极，一个波形周期内的方波由高电平段和低电平段组成，其中高电平时长与方波周期的时长比例为占空比。当方波电源给与工作电极高电平时，工作电极为阳极，此时的对位电极被给与低电平，为阴极；给与工作电极低电平时，工作电极为阴极，此时的对位电极被给与高电平，为阳极。在一个波形周期的高电平过程中，微生物由于带负电荷更容易吸附和富集在阳极，而电场斥力使微生物远离阴极。在这个波形周期的低电平过程中，上阶段的阴极变成阳极，电场引力使得微生物与其接触，增加微生物接触面积；同时，上阶段的阳极变成阴极，利用电场斥力使得电极界面的微生物冲刷更新，降低“钝化”反应，提升微生物在阳极的消毒效率。通过优化方波
电源的供电参数，改变电场的占空比和频率，在反应时间内高电平持续时间和电源转换次数增加，微生物传质于纳米线电极强电场界面及其暴露时间增加，也能通过电场斥力实现电极界面的更新。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0028]本专利技术的交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，采用方波交变电压供给方式，通过方波交变电压供给参数(电压、频率和占空比)的优化，调控微生物在电极强电场界面的接触迁移、膜穿孔灭活和脱离迁移过程，同步强化纳米线电极防污性能与消毒效率，实现消毒技术的长效运行。一方面能够防止单阳极消毒过程中带负电微生物在电极板表面的聚集，有一定防止阳极结垢的能力；另一方面电压方向的改变使得两个电极板都能进行纳米线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，其特征在于，将方波交变电压施加到基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置的两个电极之间；所述方波交变电压的高电平电压为1～5V，低电平电压为
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5～
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1V。2.根据权利要求1所述的交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，其特征在于，所述方波交变电压的频率f满足以下条件：0<f≤2.5Hz。3.根据权利要求1所述的交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，其特征在于，所述方波交变电压的占空比为25％～75％。4.根据权利要求1所述的交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，其特征在于，所述基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置包括进水口、反应室、纳米线多孔工作电极、纳米线多孔对位电极、绝缘层和出水口；所述绝缘层设于反应室内，将反应室分割为工作电极室和对位电极室；所述纳米线多孔工作电极、纳米线多孔对位电极分别设于工作电极室和对位电极室内。5.根据权利要求4所述的交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，其特征在于，所述基于纳米线多孔电极的电极内过滤消毒装置还包括设于反应室和进水口之间的蠕动泵。6.根据权利要求1所述的交变电场强化的纳米线电极电穿孔消毒方法，其特征在于，所述纳米线多孔工作电极为金属氧化物纳米线负载的多孔工作电极。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海，皮霜玉，王旸，孙明英，赵玥斐，陈达，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：