等離子體技術(shù)用于污水深度處理

1、汪健 MG1425054 等離子體技術(shù)用于污水深度處理 主要內(nèi)容 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 未來展望未來展望 處理應(yīng)用處理應(yīng)用 技術(shù)介紹技術(shù)介紹 技術(shù)介紹 近年來，等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境 空間、空間物理、地球物理等科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新 的技術(shù)和工藝。等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，它由 電離的導(dǎo)電氣體組成，其中包括六種典型的粒子，即電子、 正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分 子以及光子。事實(shí)上等離子體就是由上述大量正負(fù)帶電粒 子和中性粒子組成的，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣 體，也就是高度電離的氣體。無論是部分電離還是完全電 離，其中的負(fù)電荷總數(shù)等于正電荷總數(shù)

2、，所以叫等離子體 （徐學(xué)基，1996）。 等離子體類型 1.輝光放電（Glow Discharge）：輝光放電屬于低氣壓放電，工作壓力一般都 低于10 mbar，每種氣體都有其典型的輝光放電顏色，熒光燈的發(fā)光即為輝光放電。因其受低氣壓 的限制，工業(yè)應(yīng)用難于連續(xù)化生產(chǎn)且應(yīng)用成本高昂，目前應(yīng)用范圍僅局限于實(shí)驗(yàn)室、燈光照明產(chǎn) 品和半導(dǎo)體工業(yè)等。 2.電暈放電（Corona Discharge） ：在曲率半徑很大的尖端電極附近，由 于局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵，因而出現(xiàn)電暈放電。 3.介質(zhì)阻擋放電（DBD）：有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電，又 稱介質(zhì)阻擋電暈放電

3、或無聲放電。由于DBD在產(chǎn)生的放電過程中會產(chǎn)生大量的自由基和準(zhǔn)分子，如 OH、O、NO等，它們的化學(xué)性質(zhì)非?；钴S，很容易和其它原子、分子或其它自由基發(fā)生反應(yīng)而形 成穩(wěn)定的原子或分子，在DBD電極結(jié)構(gòu)中，采用管線式的電極結(jié)構(gòu)還可制成O3發(fā)生器，因而，可利 用這些自由基的特性來處理有機(jī)污染物，在環(huán)保方面也有很重要價值，現(xiàn)在人們已越來越重視對 DBD的研究與應(yīng)用。 4.滑動電弧放電（Glide Arc Discharge）：電源在兩電極上施加高壓 引起電極間流動的氣體在電極最窄部分電擊穿，一旦擊穿發(fā)生電源就以中等電壓提供足以產(chǎn)生強(qiáng) 力電弧的大電流，電弧在電極的半橢圓形表面上向右膨脹，不斷伸長直到不能

4、維持為止。電弧熄 滅后重新起弧，周而復(fù)始，其視覺觀看滑動電弧放電等離子體就像火焰一般?；瑒与娀》烹姷入x 子體通常應(yīng)用于材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解。 等離子體類型 Pulsed discharge plasma reactors a:液相放電反應(yīng)器 b:氣相放電反應(yīng)器 c:氣液混相放電反應(yīng)器 d:線板放電反應(yīng)器 e:靜電霧化環(huán)網(wǎng)反應(yīng)器 f:氣溶膠反應(yīng)器 DC pulseless corona discharge reactors a:浸沒式毛細(xì)管點(diǎn)電極反 應(yīng)器 b:多線板反應(yīng)器 c:線柱濕壁反應(yīng)器 DBD reactors a:多管流電極反應(yīng)器 b:棒柱反應(yīng)器 c:同心柱反應(yīng)器 d:轉(zhuǎn)鼓

5、反應(yīng)器 Glow discharge reactors a:接觸輝光放電反應(yīng)器 b:兩室接觸輝光放電反應(yīng)器 c:浸沒式輝光放電反應(yīng)器 d:直流隔膜輝光放電反應(yīng)器 低溫等離子體技術(shù)處理污染物原理 在外加電場的作用下，放電產(chǎn)生的大量高能電子轟 擊污染物分子，使其電離、解離和激發(fā)，然后便引 發(fā)了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，使復(fù)雜大分子 污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵涡》肿游镔|(zhì)，或使有毒有害物質(zhì) 轉(zhuǎn)變成無毒無害或低毒低害的物質(zhì)，從而使污染物 得以降解去除。 高能電子及自由基的作用 高壓放電過程中形成大量高能電子，在有水分子存在時， 高能電子在極短時間內(nèi)（10-7s）與水反應(yīng)形成大量自由基 和O3，在高壓放電等離子體

6、中自由基種類很多，主要有羥 基自由基OH、水合電子eaq-、O、HO2等，它們都具有強(qiáng) 的氧化性（Sunetal.，1997）。 臭氧的作用 臭氧具有很強(qiáng)的水溶性，其在水中的溶解度約為氧 氣的13倍，O3溶于水后發(fā)生一系列反應(yīng)生成OH， 氧化有機(jī)物（Lukeet al.，2005）。 雙氧水和紫外光的作用 雙氧水是一種強(qiáng)氧化劑，H2O2在UV照射下或與Fe2+聯(lián)合作 用均可產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的OH。在放電過程中，由于高能 電子的轟擊作用，可以在水溶液中生成H2O2，并在UV的作 用下進(jìn)一步分解為OH。UV直接照射水體產(chǎn)生OH的的效率是 非常低的，但是水中有溶解性O(shè)3存在時，即會有較高的OH 產(chǎn)生

7、率（unkaet al.，1999）。 等離子體協(xié)同催化加處理污水 Carbon materials：活性炭材料具有特殊的吸附 和催化特性，應(yīng)用于等離子體協(xié)同處理污水中，其 過程如下。 等離子體協(xié)同催化加處理污水 Metal oxide：許多金屬氧化物具有一定的催化功 能，并能在特定條件下產(chǎn)生激發(fā)態(tài)，促進(jìn)反應(yīng)過程 的進(jìn)行；納米二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N具有普遍應(yīng)用的光 催化劑，可在等離子體產(chǎn)生的UV激發(fā)下產(chǎn)生活性物 質(zhì)，促進(jìn)等離子體處理污水的能力。 等離子體協(xié)同催化加處理污水 Metal ions:金屬離子如亞鐵離子Fe2+可在羥基自 由基OH的存在下形成芬頓效應(yīng)，促進(jìn)反應(yīng)過程的 進(jìn)行；而等離子體本身就

8、會激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自 由基，亞鐵離子在這種條件下加速反應(yīng)過程。 未來展望 1.等離子體處理污水的基本原理研究：目前等離子 體處理污水主要是利用產(chǎn)生的活性自由基、UV以及臭氧等， 至于反應(yīng)機(jī)理尚不得知，需加強(qiáng)進(jìn)一步的基本原理研究。 2.大尺寸等離子體反應(yīng)器的設(shè)計(jì)：目前等離子體反應(yīng) 器還停留在小規(guī)模小尺寸應(yīng)用上，這阻礙了等離子體的應(yīng) 用發(fā)展。 3.與其他更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)聯(lián)用：目前等離子體高能耗也 是一大問題，與生物法等相比缺乏經(jīng)濟(jì)性，可考慮與其他 技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) 1 M. Capocelli, E. Joyce, A. Lancia, T.J. Mason, D. Musmarra,

9、M. Prisciandaro, Sonochemical degradation of estradiols: incidence of ultrasonic frequency, Chem. Eng. J. 210 (2012) 917. 2 R. Andreozzi, V. Caprio, A. Insola, R. Marotta, Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery, Catal. Today 53 (1999) 5159. 3 A.A. Joshi, B.R. Locke, P

10、. Arce, W.C. Finney, Formation of hydroxyl radicals, hydrogen peroxide and aqueous electrons by pulsed streamer corona discharge in aqueous solution, J. Hazard. Mater. 41 (1995) 330. 4 A. Bogaerts, E. Neyts, R. Gijbels, J. van der Mullen, Gas discharge plasmas and their applications, Spectrochim. Ac

11、ta B 57 (2002) 609658. 5 B.R. Locke, M. Sato, P. Sunka, M.R. Hoffmann, J.S. Chang, Electrohydraulic discharge and non thermal plasma for water treatment, Ind. Eng. Chem. Res. 45 (2005) 882905. 6 B.R. Locke, S.M. Thagard, Analysis and review of chemical reactions and transport processes in pulsed ele

12、ctrical discharge plasma formed directly in liquid water, Plasma Chem. Plasma Process. 32 (2012) 875917. 7 A.M. Vandenbroucke, R. Morent, N. De Geyter, C. Leys, Non-thermal plasmas for non-catalytic and catalytic VOC abatement, J. Hazard. Mater. 195 (2011) 3054. 8 P. Bruggeman, C. Leys, Non-thermal plasmas in and in contact with liquids, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 053001. 9 M.A. Malik, A. Ghaffar, S.A. Malik, Water purification by electrical dis