《快脈沖放電等離子體有機廢水處理系統(tǒng)》

1、快脈沖放電等離子體有機廢水處理系統(tǒng)復(fù)旦大學(xué)劉克富教授團隊采用快脈沖放電等離子體對有機廢水進行無害化處理的技術(shù)（以下簡稱“本技術(shù)”），具有廣闊的應(yīng)用前景，但對其進行商業(yè)化運作需要有技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)和市場上的難題需要克服，本報告將整體描述這三個方面，以作為商業(yè)化的工作指導(dǎo)。一.綜述根據(jù)廢水內(nèi)的污染物成分與含量的不同，需要采用不同的處理方式，按其作用原理可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物處理法四大類，污水中的污染物質(zhì)是多種多樣的，不能預(yù)期只用一種方法就能夠把污水中所有的污染物質(zhì)去除殆盡，一種污水往往需要通過幾種方法組成的處理系統(tǒng)，才能達到處理要求的程度1?？烀}沖放電等離子體有機廢水處理系統(tǒng)應(yīng)當歸為

2、化學(xué)法中的一種，屬于高級氧化技術(shù),其在過程中產(chǎn)生氧化能力極強的羥基自由基OH，使大多數(shù)難降解的有機污染物氧化降解為低毒或無毒的小分子物質(zhì)?，F(xiàn)有的高級氧化技術(shù)包括紫外、臭氧、雙氧水以及它們混合使用等方法，這些氧化技術(shù)存在運行費用過高、氧化劑消耗量大等缺點，使其普遍推廣應(yīng)用受到限制。近年來，快脈沖放電等離子體技術(shù)用于難降解污染物處理已經(jīng)被實驗證明是一種行之有效的方法，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注2?？烀}沖放電等離子體污水、廢水處理新技術(shù)是集高能電子、臭氧氧化、紫外輻射于一體的全新概念高級氧化法。其原理是利用高壓納秒脈沖功率源在待處理污水中放電，產(chǎn)生大面積絲狀放電通道，在放電空間迅速傳播引起雪崩效應(yīng)。由

3、于放電瞬間釋放高壓脈沖大功率，在水中產(chǎn)生超強紫外光、臭氧和高能電子協(xié)同的“先進氧化處理”作用，在反應(yīng)器中直接產(chǎn)生活性極強的自由基，通過自由基與有機化合物之間的聚合、取代、電子轉(zhuǎn)移、斷鍵等作用，使水體中的大分子、難降解有機物氧化降解成低毒或無毒的小分子物質(zhì)，甚至直接降解成CO2 和H2O ,接近完全礦化，達到降解、氧化、脫色、殺菌效果。其技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)在如下四個方面：一，多種物理效應(yīng)協(xié)同“先進氧化處理”作用?？烀}沖放電等離子體直接與污水大面積接觸，直接產(chǎn)生活性極強的自由基，對污水進行高級氧化作用，具有不可替代的綜合優(yōu)勢；二，工藝結(jié)構(gòu)簡單。可隨時處理，不存在氧化劑生產(chǎn)和存儲問題，也不存在二次污染的問

4、題；三，處理效率、耗能低。快脈沖放電等離子體具有作用效果強，電能利用效率高，大部分能量用于有機物分解電離，而不是變成熱量，具有能耗低的獨特優(yōu)勢，因而使得該技術(shù)具有普遍推廣應(yīng)用價值；四，具有殺菌滅毒效果。由于放電產(chǎn)生超強紫外光、臭氧作用，對污水具有明顯的滅菌消毒作用效果。快脈沖放電等離子體高級氧化法未來首先將在中藥廢水毒性降解、農(nóng)藥毒性降解、醫(yī)藥抗生素等行業(yè)大幅推廣。據(jù)劉克富教授介紹，目前他們的研究團隊正在與北京同仁堂中藥研究院合作，針對中藥廢水毒性降解開展研究。中藥的需求量增大，導(dǎo)致炮制中藥的污水也增加，而毒性廢水不能和普通廢水一起進行生化處理。中藥過濾后的廢水中含有大量有毒、甚至劇毒物質(zhì)，1

5、-2毫克川烏浸泡液就可致人死亡。通過對小白鼠和斑馬魚的動物實驗，證實用快脈沖放電等離子體高級氧化法來降解中藥毒性，效果可達95%以上。目前該研究還在進行中，下一步將加大推廣力度。二.關(guān)鍵問題要產(chǎn)生等離子體放電，首先要解決好放電電源的問題。復(fù)旦大學(xué)劉克富團隊研制成功的全固態(tài)高壓脈沖功率源可以瞬間釋放超大功率（MW量級），為其提供了充足的驅(qū)動源。其次是放電電極的設(shè)計，高壓脈沖放電方式按外加電壓可分為交流、直流、脈沖三種；按介質(zhì)與反應(yīng)的相態(tài)可分為氣相（液膜表面的氣體放電）、液相（水中放電）、氣液混合兩相放電等幾種。近年來各種放電方式在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用4。第三是污水處理系統(tǒng)的設(shè)計，連續(xù)和大流量的污

6、水處理系統(tǒng)，需要根據(jù)其成本和產(chǎn)量作出合理的設(shè)計以滿足需求，將實驗室已經(jīng)完成的原理性技術(shù)轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用層級的應(yīng)用技術(shù)，尚需要更多地具體設(shè)計。三.劉克富教授團隊的技術(shù)優(yōu)勢劉克富教授近年來參與負責完成國家重大項目神光III能源模塊大型脈沖功率電源設(shè)計和研制，負責完成了華中科技大學(xué)教育部強磁場脈沖功率電源系統(tǒng)設(shè)計以及多項國防科研項目研究，在高功率電源技術(shù)方面具有深厚的沉淀。而快脈沖放電等離子體有機廢水處理系統(tǒng)中，電源是其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。以劉克富作為發(fā)明人檢索中國專利，共有23件，經(jīng)過人工篩選，與本技術(shù)相關(guān)的專利為如下5件。主題名稱公開號狀態(tài)1全固態(tài)高壓納秒脈沖電源CN101534071B有效2納秒脈沖

7、放電等離子體處理難降解有機污水的設(shè)備CN101565228B失效3等離子體放電去除中藥廢水毒性的裝置CN103466747A審中4具有正負脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源CN103490661A審中5具有單極性脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源CN103618472A審中上述專利或申請以復(fù)旦大學(xué)為專利權(quán)人，其中第1、4和5為關(guān)于電源的核心技術(shù)，但只有第1件授權(quán)，另外2件仍在審中，授權(quán)前景不明。第2和3件為采用本技術(shù)的污水處理系統(tǒng)，但第2件已經(jīng)失效，第3件授權(quán)前景不高，被駁回的可能性很大。因此，劉克富教授團隊目前掌握著電源技術(shù)的核心專利，但并不具備整個污水處理系統(tǒng)或放電電極的專利。四.技術(shù)就緒水平本技

8、術(shù)能夠用于難降解的有機廢水的無害化處理，早在80年代便已經(jīng)在實驗室內(nèi)得到了證實。由于其只耗費電源，不耗費催化劑的成分，因此應(yīng)用范圍廣泛，長期運行起來成本較低。經(jīng)過多年的發(fā)展，本技術(shù)的研究方向已經(jīng)逐漸確定，本技術(shù)主要由電源和反應(yīng)器構(gòu)成，電源的性能確定后，要提高反應(yīng)能力和能力利用率，就需在反應(yīng)器、操作條件和添加催化劑上下功夫。近幾年來，高壓脈沖放電等離子體技術(shù)在反應(yīng)器設(shè)計、催化劑的選擇評價、實驗條件的優(yōu)化方面做了不少嘗試，取得了很大進步。反應(yīng)器按電極結(jié)構(gòu)分類，可分為棒-棒、針-板、線-板、線-筒、環(huán)-筒、板-板等反應(yīng)器。反應(yīng)器電極的材料也影響反應(yīng)器的降解性能，一般采用鎳、鉻電極，現(xiàn)在一些學(xué)者采用鉑

9、電極，效果不錯。放電方式不同，降解效果也不同。另外，增大處理液體與非平衡等離子體的接觸面積能夠提高反應(yīng)器的降解效率。并且，通入氧氣的效果遠遠好于空氣、氬氣和其它氮化氣?？梢姡梅磻?yīng)器盡可能地增加等離子體與水接觸的面積，能有效提高降解效果。一般作為催化劑的有亞鐵離子、三價鐵離子、H2O2、二氧化鈦、大孔吸附性物質(zhì)等。反應(yīng)條件指的一般是鼓入氣體、脈沖峰值電壓、脈沖頻率、放電電極直徑和放電距離等的可調(diào)操作條件。脈沖成形電容有一最佳值，降解率隨脈沖峰值電壓、脈沖頻率增大而升高，隨放電電極直徑和放電距離的減小而增大，隨苯酚入口質(zhì)量濃度增大而增大。氰化物的去除率隨著通入空氣流量的增加和放電電壓的提高而增

10、加。國內(nèi)外針對本技術(shù)的研究主要集中在對模擬染料廢水的脫色上，也有部分研究水的消毒殺菌和焦化廢水和氰化物等有機物的降解，但很少有在實驗中處理高電導(dǎo)率的實際廢水，而實際工程應(yīng)用更是鳳毛麟角；反應(yīng)器的設(shè)計主要著眼于實驗研究，處理水量小，很難放大到實際工程中；對水處理的機理和規(guī)律以及對等離子體的診斷的研究也不夠；設(shè)備的投資大，處理成本相對較高，也是阻礙其發(fā)展的因素3。以文獻3的分析來看，目前還沒有采用本技術(shù)做工業(yè)化處理的案例，均停留在實驗室研究的范疇。制約本技術(shù)的實際應(yīng)用的因素，可能是因為處理機理的研究診斷尚不夠充分，導(dǎo)致處理效果并不能保證；或者是一次性投資過大，處理成本相對其他常規(guī)運營的污水處理手段

11、較高。劉克富教授研發(fā)的“全固態(tài)高壓納秒脈沖電源”雖然已經(jīng)做出成品，能夠用于實驗室研究，但如果要用于工業(yè)規(guī)模上處理污水還需要經(jīng)過小試和中試，做規(guī)模化的實驗、調(diào)教甚至改良，例如包括：如何更高效迅速的完成處理，裝置和污水流量比例如何，污水箱有無外觀設(shè)計要求，成本是否在藥企可接受范圍內(nèi)等方面。即便是電源本身，可能仍然需要更多的研發(fā)設(shè)計。理論上來說“高壓納秒脈沖電源”是一種電源的新形式，“全固態(tài)”是其提高電壓所采用的固態(tài)半導(dǎo)體開關(guān)的形式，雖然該電源已經(jīng)成熟，但若要將其運用到工業(yè)化規(guī)模，其能否承擔長期不間斷地高效運行，對于電源技術(shù)來說也是嚴峻的挑戰(zhàn)，還需要劉克富教授團隊來完成。從技術(shù)角度來考慮，本技術(shù)核心

12、部分已經(jīng)是完備的，實驗室處理印染污水經(jīng)一小時的處理可以達到完全澄清。但要進入實際應(yīng)用還需要客服一些實際困難，解決很多問題，如：處理后水質(zhì)是否能達到相應(yīng)排放標準？要循環(huán)處理多少次才能達到排放標準？水處理成本如何？設(shè)計的反應(yīng)裝置成本是否過高？占地是否過大？每小時水處理量有多大？處理時是否有新的毒物出現(xiàn)？裝置放大后處理效率是否會發(fā)生變化？等等。這些實際問題的解決將會形成系列的專利。鐘：還有環(huán)境安全情況；涉及電流等、可能還需要大規(guī)模使用后的工作人員人身安全情況?？偠灾瑒⒔淌谀壳霸谡以敢夂献鞯睦硐雽ο?，比如環(huán)保企業(yè)或者是不差錢的國有單位（如 軍工），進行放大研究。因此該技術(shù)的研究應(yīng)處于：正根據(jù)不同行

13、業(yè)有機廢水的成分進行產(chǎn)品調(diào)試及中試放大研究階段。其中有毒中藥廢水處理的研究最早進行，應(yīng)該處于中試階段，但由于市場與資金的問題沒有進行進一步的推進和細化工作。鑒于劉克富教授還沒有完成最后實際技術(shù)的設(shè)計測試等，所以評估技術(shù)就緒水平為7：在使用環(huán)境下演示技術(shù)原型。鐘：目前上市的環(huán)保型企業(yè)還是有一定數(shù)量的，如碧水源等，可以考慮與他們合作，他們以增發(fā)等方式進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓，如此能夠通過社會的錢來啟動這個項目，同時劉教授的利益也能夠得到保證。五.相關(guān)專利分析本技術(shù)本質(zhì)上屬于氧化方式進行水處理技術(shù)領(lǐng)域，因此IPC分類號為：C02F1/72C 化學(xué)；冶金 C02 水、廢水、污水或污泥的處理 C02F 水、廢水、污

14、水或污泥的處理 1/00 水、廢水或污水的處理C02F 3/00至C02F 9/00優(yōu)先）1/72 .氧化法檢索相關(guān)專利的檢索詞應(yīng)為“摘要：等離子” and “IPC：C02F1/72”，能夠囊括全部采用等離子體進行水處理的專利。檢索結(jié)果為38件已經(jīng)授權(quán)并維持有效的中國發(fā)明或者實用新型專利。限于篇幅不能一一分析，但從中能夠得出如下結(jié)論：1、專利權(quán)人分布廣泛，每個專利權(quán)人一般僅擁有兩三件專利，在該領(lǐng)域還未存在占據(jù)絕對領(lǐng)先地位的專利權(quán)人；2、專利權(quán)人絕大多數(shù)為科研單位、大專院校，僅有10個企業(yè),尚未有太多的專利權(quán)人進入研究；3、申請日最早自2007年起，說明在本技術(shù)比較新，最近幾年才開始進行更多地

15、技術(shù)方案的研究。六.知識產(chǎn)權(quán)保護策略在專利、商標、版權(quán)和商業(yè)秘密中，專利和商業(yè)秘密是本技術(shù)應(yīng)當進行布局的知識產(chǎn)權(quán)，這里主要涉及專利的保護策略。專利的布局應(yīng)當以現(xiàn)有技術(shù)的分析調(diào)研為基礎(chǔ)，并以自身的技術(shù)開發(fā)程度為依據(jù)，處于不同市場地位的主體應(yīng)當采用不同的知識產(chǎn)權(quán)策略。本技術(shù)處于尚未工業(yè)應(yīng)用的小試或者中試階段，技術(shù)原理已經(jīng)通過實驗室研究獲得驗證，因此需要專利保護的技術(shù)更多的是根據(jù)實際工況進行工業(yè)化配置的技術(shù)。專利保護策略的目標是搶占核心技術(shù)點，確保排斥競爭對手，使得投資者能夠壟斷市場，獲得更高利潤。因此，知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)量和質(zhì)量是投資者愿意參與的重要因素。為此，提出四大專利布局策略：1.技術(shù)拆分應(yīng)當為每

16、個關(guān)鍵的技術(shù)節(jié)點單獨申請發(fā)明專利，拆分細化，確保每一個技術(shù)點均為競爭對手不能規(guī)避的要點。例如，應(yīng)當單獨為不同工況下的不同電源、不同的電極設(shè)計形式、反應(yīng)塔的多種變化的結(jié)構(gòu)等各自申請專利。在任何一個作出改進的部分均要進行申請，甚至例如曝氣池的結(jié)構(gòu)、噴頭的結(jié)構(gòu)、水泵和水箱的不同設(shè)計，均可能有專利申請產(chǎn)生，而不要集中于看起來具有技術(shù)突破性的技術(shù)才申請專利。2.前瞻性申請技術(shù)人員申請專利一般以自己做出了研究設(shè)計，能夠解決其技術(shù)問題才申請專利。但實際上，應(yīng)當在理論上作出預(yù)測，能夠解決技術(shù)問題時，便應(yīng)當申請專利。也許很多技術(shù)方案是不可能實現(xiàn)的，但在實踐中驗證其不能實現(xiàn)需要較長時間，也應(yīng)該搶先申請專利，這樣才

17、能在其他競爭對手進行研發(fā)之后搶占這些技術(shù)要點。3.上下游擴展不要局限于本技術(shù)本身申請專利，要在上下游也申請若干專利，以便能夠進行產(chǎn)業(yè)鏈上的控制。例如，污水處理的上游技術(shù)包括電源和電機的材料和加工等技術(shù)，以及污水處理的下游技術(shù)，包括處理后的水的應(yīng)用技術(shù)。對產(chǎn)業(yè)鏈的上下游均進行擴展，能夠有助于對競爭對手全產(chǎn)業(yè)鏈的鉗制，促進投資者的投資意愿。4.預(yù)測圍堵競爭對手的研發(fā)充分調(diào)研采用等離子體處理廢水的各種專利申請，隨時掌握本行業(yè)內(nèi)的發(fā)展方向，評估競爭對手的技術(shù)實現(xiàn)程度，未來可能產(chǎn)生市場競爭的對手多半是在這些專利權(quán)人的范圍內(nèi)。因此，有必要在這些競爭對手的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)也申請一些干擾性專利，從而在可能產(chǎn)生市場競

18、爭時作為殺手锏起到關(guān)鍵作用。鐘：上面分析確實已經(jīng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)還是有點分散的，可以趁這個市場還沒有起來時，其他潛在競爭者以及攸關(guān)方仍沒有意識到技術(shù)及專利價值時低價進行對于特定技術(shù)以及專利的收儲，如此能夠形成一個更強有力的專利組合。七.本技術(shù)的SWOT分析針對本技術(shù)做市場SWOT分析如下：優(yōu)勢（Strength）1技術(shù)先進。目前是國內(nèi)首個利用等離子快脈沖放電處理有機廢水，并已解決核心技術(shù)難題；2為企業(yè)提高效率?？烀}沖放電等離子體技術(shù)可以快速完成中藥廢水處理過程，處理效果良好、效率高，可以大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率；3易于規(guī)模化生產(chǎn)。該裝置有特定設(shè)計的工藝結(jié)構(gòu)，占地空間不大，企業(yè)容易接納；4長期綜合成本極低。

19、該裝置有較長使用壽命，且不使用額外試劑，因此相較于傳統(tǒng)處理方式，對其的一次性投資可以為企業(yè)節(jié)省試劑購買、儲存等費用；5市場潛力巨大。由于中藥需求日益增加，炮制中藥的污水也隨之增加，該技術(shù)擁有旺盛的市場需求。劣勢（Weakness）1.需經(jīng)常性調(diào)整、調(diào)試裝置參數(shù)。對于不同成分的有機廢水，處理的方法極有可能不盡相同，因此需要根據(jù)水體狀況隨時做出調(diào)整，耗費研發(fā)團隊人力、物力；2.前期投資成本較高。相較于降解有機物廢水常規(guī)的處理方法，該技術(shù)前期一次性投資較大，中小型企業(yè)恐難以負擔；鐘：3.仍需要較長時間進行完善技術(shù)、測試及推廣。機會（Opportunity）1.“快脈沖放電等離子體有機廢水”處理裝置推廣行業(yè)廣泛。研發(fā)團隊首先將在中藥廢水毒性降解、農(nóng)藥毒性降解、醫(yī)藥抗生素等行業(yè)大幅推廣；2.該裝置核心技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。其核心技術(shù)“固態(tài)高壓脈沖功率源”除了在工業(yè)廢氣處理、脈沖放電除塵、難降解工業(yè)污水處理等環(huán)保領(lǐng)域起著重要作用，還可在國防工程、能源、工業(yè)領(lǐng)域有相當運用；3.技術(shù)就緒水平高，并具備一定市場渠道。研發(fā)團隊目前已與多個行業(yè)多個領(lǐng)域的研究所、