等離子體水處理技術(shù)

1、等離子體水處理技術(shù)種珊 2010.4.9等離子體簡介等離子體氧化機理水處理等離子體類型研究現(xiàn)狀發(fā)展趨勢主要內(nèi)容 等離子體是物質(zhì)第四態(tài)，是由大量的自由電子和離子組成、且在整體上表現(xiàn)為電中性的電離氣體。固體 冰液體 水氣體 水汽等離子體 電離氣體00C1000C100000C什么是等離子體宇宙中90物質(zhì)處于等離子體態(tài)星云極光太陽表面閃電美國宇航局提供的照片-南極上空的橢圓形極光人造等離子體 等離子體科學(xué)在能源、材料、信息、環(huán)保、國防、微電子、半導(dǎo)體、航空、航天、冶金、生物醫(yī)學(xué)、造紙、化工、紡織、通訊等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 日常生活中日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器； 工業(yè)應(yīng)用工業(yè)

2、應(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理； 高技術(shù)應(yīng)用高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強流束、飛行器鞘套與尾跡。人造等離子體霓虹燈管 等離子電弧焊接 等離子體電弧熔煉 人造等離子體等離子體增強化學(xué)氣相沉積制備的用于太陽能電池的非晶硅薄膜 核聚變裝置中的等離子體 超大規(guī)模集成電路等離子體分類等離子體 高溫等離子體 如：聚變、太陽核心（電子溫度大于10000） 低溫等離子體（電子溫度小于10000）冷等離子體如：極光、日光燈熱等離子體如：電弧、碘鎢燈實驗室常用的有熱等離子體（由電弧、電火花或火焰產(chǎn)生）、冷等離子體（由輝光放電產(chǎn)生）和混

3、合等離子體（由電暈放電或臭氧發(fā)生器產(chǎn)生）。等離子體氧化機理高能電子作用臭氧氧化作用紫外光分解作用等離子體氧化機理 低溫等離子體廢水處理技術(shù)是一種兼具高能電子輻射、臭氧氧化、紫外光分解等三種作用于一體的廢水處理技術(shù)。 三種方法協(xié)同作用時，處理效果優(yōu)于各方法單獨作用。等離子體化學(xué)反應(yīng)過程 高能電子作用 首先是液下水分子發(fā)生電離與激發(fā)，在很短的時間內(nèi)生成離子，激發(fā)分子與次級電子，再生成反應(yīng)能力極強的物質(zhì)：H20OH+eaq+H+ H2O2+H3O +H2 并發(fā)生下列反應(yīng)，生成游離氧、臭氧和OH自由基： O22O2OH O2（+M）+OO3（+M）e+eH2O臭氧氧化作用 臭氧在水中時發(fā)生氧化反應(yīng)，其

4、氧化途徑可由臭氧直接氧化某些有機物，也可由其分解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物OH自由基氧化有機物。 OH容易攻擊高電子云密度的有機分子部位，加在有機分子碳雙鍵上，脫去有機分子上的一個氫，形成R自由基，R自由基又被水中溶解氧進一步氧化成ROO自由基，ROO自由基再發(fā)生一系列的反應(yīng)，使水中污染物氧化和分解，最終降解產(chǎn)物為二氧化碳和水。 RH R ROO CO2+H2OOHO2紫外光分解作用 紫外光作用原理是有毒有害物的分子吸收光子后進入激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)分子返回基態(tài)時吸收的能量使其分子鍵斷裂，生成相應(yīng)的游離基或離子。這些游離基或離子易與溶解氧或水分子反應(yīng)生成新的物質(zhì)而被除去。 紫外光和臭氧聯(lián)合使用時，臭氧在紫外光的

5、照射下與H2O反應(yīng)生成了OH，無論是在氧化能力還是在氧化速度上，都遠遠超過紫外光分解或臭氧單獨使用所達到的效果。水處理等離子類型 電暈放電輝光放電介質(zhì)阻擋放電滑動弧放電射頻微波放電電暈放電 將電壓加載在曲率半徑很小的電極上，當針狀電極上的電位升高到一定程度時，針尖附近的強電場就使其周圍的空氣產(chǎn)生電離，從而產(chǎn)生的局部放電甚至暈光的現(xiàn)象稱為電暈放電。高壓脈沖放電 高壓脈沖放電是研究最多的電暈放電形式。 由高電壓脈沖電源產(chǎn)生的極強電流在水中以極短的時間(納秒級)向放電通道輸入，形成電子雪崩，巨大的脈沖電流使通道內(nèi)形成高能密度，由此引起局部高溫。 在放電過程中，電子與中性氣體分子和原子進行非彈性碰撞，

6、使這些中性分子的激發(fā)、分解和電離更為強烈，產(chǎn)生高氧化活性物質(zhì)(OH 、H2O2等活性粒子)、紫外輻射、高能電子轟擊等，達到去除有機物的目的。高壓脈沖等離子體水處理設(shè)備南寧超等環(huán)保公司設(shè)計的等離子體水處理的反應(yīng)裝置圖高壓脈沖電源用于產(chǎn)生等離子體；反應(yīng)器則利用產(chǎn)生的活性物質(zhì)以及伴隨產(chǎn)生的熱、光、波等效應(yīng)來凈化水質(zhì)。輝光放電 利用外加電場作用，在特定的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)，當兩電極間的電壓足夠高時，則產(chǎn)生明暗不一的區(qū)域，自由電子在電場作用下加速。 獲得一定能量的電子與管內(nèi)氣體分子碰撞，使后者電離而產(chǎn)生次級電子，電子再被電場加速又碰撞其它分子，如此下去就產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，最后達到維持放電正常進行。 優(yōu)點：優(yōu)點：

7、對電源要求不高，普通的直流高壓電源即可；可在高電導(dǎo)率廢水下運行；能量效率較高和沒有電磁輻射。缺點：缺點：電極較貴；電源以及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計需要進一步研制。介質(zhì)阻擋放電 有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電。 介質(zhì)阻擋放電中使用的絕緣層(阻擋介質(zhì))的典型材料主要包括玻璃、石英、陶瓷、薄搪瓷或聚合物。優(yōu)點優(yōu)點：電極不易腐蝕（電極不直接與放電氣體發(fā)生接觸）；具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的可能性（具有電子密度高和在常壓下運行的特點）；可在大氣壓強下工作，而且可以防止在放電空間形成局部火花和弧光放電（放電表現(xiàn)為很均勻、漫散和穩(wěn)定)。 缺點缺點：介質(zhì)阻擋放電較適合于降解低濃度的有機廢水，但能耗較高；需要研究有較

8、高峰值電壓，盡量短的電壓上升沿，以及更大的頻率電源；反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)還需進一步優(yōu)化。滑動弧放電 滑動弧放電產(chǎn)生一種周期性擺動的大氣壓下非平衡等離子體。與輝光和電暈放電相比，滑動弧放電能夠提供更高的能量，產(chǎn)生更多種類的活性粒子。石英絕緣罩主要起著封閉反應(yīng)區(qū)和絕緣的作用。當接通兩電極間電壓，兩電極間最窄處通入的氣體被擊穿，形成電弧，在從噴嘴噴出的高速氣流推動下，電弧向下移動，形成滑動電弧柱。這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，因此應(yīng)用最廣?；瑒踊》烹?滑動弧放電的主要特點是: 兼有熱等離子體和非熱等離子體的特性； 滑動弧放電裝置和電源結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，操作和維護費用比較低； 滑動弧放電過程中電能直接進

9、入反應(yīng)區(qū)域，產(chǎn)生一個充滿活性粒子的非平衡等離子體反應(yīng)環(huán)境，超過80%的電能直接被化學(xué)反應(yīng)吸收； 化學(xué)反應(yīng)選擇性好，進氣不需要預(yù)處理。微波放電 微波放電是電磁控制管產(chǎn)生的微波傳入放電室，當放電室內(nèi)的磁場強度使得電子的回旋頻率和輸入的微波頻率相等時，微波使電子運動加速，促發(fā)等離子體。 微波放電的電離度高，氣體具有更高的活化程度，因而能在更低溫度下獲得和維持具有更高能量的等離子體，更適合對溫度敏感材料如有機薄膜的處理，但設(shè)備造價較高。 國內(nèi)外現(xiàn)在已有許多利用微波放電的例子，如大連化學(xué)物理研究所曾用微波放電來脫除一氧化氮。高壓脈沖放電等離子體滑動弧放電等離子體介質(zhì)阻擋放電等離子體微波放電等離子體高壓脈

10、沖放電等離子體等離子體類型廢水類型高壓脈沖等離子體染料廢水、垃圾滲濾液、焦化廢水（含氰化物）、熒光增白劑廢水、特定環(huán)境中飲用水； TNT（2，4，6-三硝基甲苯）、苯酚、苯胺、硝基苯等水溶液。滑動弧等離子體印染廢水、紡織廢水、塑料和橡膠廢水、啤酒廢水、皂化廢液；甲基紫、苯酚和紡織品染料水溶液輝光放電等離子體苯、酚類水溶液（苯酚、硝基甲苯、1-萘胺、2，4-二氯苯酚、苯、硝基苯、4-氯苯酚、苯酚、 甲苯酚、鄰苯二胺）；染料模擬廢水（茜素紅、亮綠、甲基紫）介質(zhì)阻擋放電等離子體苯、酚類水溶液（苯酚、氯苯酚、苯、甲苯、二甲苯）；染料模擬廢水（靛藍二磺酸鈉、茜素紅、酸性橙-7）射頻和微波等離子體亞甲基藍

11、水溶液研究現(xiàn)狀高壓脈沖放電等離子體用等離子體技術(shù)處理廢水的實驗研究 重慶大學(xué) 楊勝凡 2007高壓脈沖放電等離子體水處理裝置實驗研究 高壓脈沖等離子裝置參數(shù)高壓脈沖等離子裝置參數(shù)： 電壓值U =70kV，輔助間隙d =50mm，放電主間隙D =40mm，放電頻率f=1.5，反應(yīng)器中安裝5對電極。 實驗對象：實驗對象： 焦化廢水和垃圾滲濾液 實驗步驟：實驗步驟： 將廢水裝入反應(yīng)器中，經(jīng)空心正電極送入壓縮空氣進行放電，總的持續(xù)時間為30分鐘，當放電進行到20分鐘時進行一次采樣，然后放電結(jié)束時再次進行采樣，最后將處理后水樣的各種指標與原水的指標進行對比從而得出一些結(jié)論。實驗結(jié)論分析表明：處理20分鐘

12、與處理30分鐘水樣的各項指標變化不大；處理20分鐘后各項指標的去除率：COD降低了62.2%，BOD降低了65.2%，PH值基本保持不變。焦化廢水實驗結(jié)論分析表明：處理20分鐘與處理30分鐘水樣的各項指標變化不大。處理20分鐘后各項指標的去除率：COD降低了52.4%，BOD降低了55.3%，PH值基本保持不變。垃圾滲濾液滑動弧等離子體 海寧某印染廢水廠，廢水中含有活性染料、酸性染料及直接染料，以及漿料、助劑及無機鹽類。廢水在室溫下放置半月，水質(zhì)達到穩(wěn)定滑動弧放電等離子體-生化法降解有機廢水的研究 浙江大學(xué) 劉亞納 2008滑動弧等離子一生化法結(jié)合的聯(lián)合降解的工藝流程圖實驗結(jié)論未經(jīng)滑動弧處理的

13、實際印染廢水生化降解效果經(jīng)滑動弧處理5min的實際印染廢水生化降解效果經(jīng)滑動弧處理10min的實際印染廢水生化降解效果滑動弧等離子體-生化法工藝優(yōu)勢及不足 優(yōu)勢優(yōu)勢： 工藝投資成本和電極更換成本較低； 占地面積?。?工藝簡單易于控制、高效、快速； 降低廢水的生物毒性，同時提高廢水的可生化降解性。 存在的問題存在的問題： 等離子體工藝耗電量大、處理成本高，造成整個聯(lián)合工藝的運行成本較高。等離子高級氧化(AOPs)污水預(yù)處理機 南寧超等環(huán)保有限公司提供 生活污水生活污水： 市政、大型酒店賓館、 休閑旅游度假村的生活污水處理及中水回用。 高濃度難生物降解工業(yè)廢水高濃度難生物降解工業(yè)廢水： 如印染污水

14、、電鍍污水、造紙廢水、化工污水、冶金廠污水、石化污水、酒精制糖污水、淀粉廠污水、填埋場垃圾滲濾液等。 醫(yī)院污水消毒深度處理醫(yī)院污水消毒深度處理： 代替二級生化處理，代替二氧化氯、臭氧消毒。 河湖池塘景觀水凈化河湖池塘景觀水凈化： 河流、湖泊、池塘富營養(yǎng)化水體除藻與提質(zhì)治理。 循環(huán)水處理（減量化排放） 等離子處理高濃度工業(yè)污水效果圖從圖中可以看出：處理過的水樣澄清透明，色度上已達標；水中的COD的去除率高達95%以上，BOD的去除率在90%左右，污水處理各項指標均已合格。 工業(yè)污水處理流程圖以處理1000噸高濃度有機廢水為例，對比分析兩種工藝處理工藝傳統(tǒng)工藝等離子組合工藝工藝流程 調(diào)配池厭氧池沉池氧化池系統(tǒng)二沉池溶氣氣浮氧化塘或灌溉隔柵超等AOP技術(shù)厭氧反應(yīng)池好氧反應(yīng)池超等AOP技術(shù)外排或灌溉原液COD(mg/l) 80,000 120,000 80,000 120,000 出水COD(mg/l) 500 3,000 300 1,000 日處理水量(t/d) 10001000占地面積(m2/d) 25,000以上 1,500 2,000 單位廢水運行成本(元/噸)3 7 5(沼氣發(fā)電) HRT（停留時間）7