脈沖放電等離子體技術(shù)在水處理中的應(yīng)用及前景展望

張麗蓉 王棟

【摘 要】脈沖放電等離子體是一種全新概念的廢水處理技術(shù)，能有效地去除水體中的有機(jī)污染物的水處理技術(shù)。文章介紹了等離子體的作用機(jī)理及應(yīng)用，并對此新技術(shù)進(jìn)行了前景展望提出了可以改進(jìn)的一些方面。

【關(guān)鍵詞】脈沖放電；等離子體技術(shù)；水處理

1.脈沖放電等離子體技術(shù)、作用機(jī)理及效應(yīng)

由高壓脈沖電源作為外加電源可形成脈沖流光放電等離子體（簡稱脈沖放電等離子體），這些等離子體在水體中會產(chǎn)生電子、離子、激發(fā)態(tài)分子、中性或帶電的自由基、中性分子以及沖擊波。主要的形式有HO·、H·、O2-、H202、03、紫外線等。

高壓脈沖放電產(chǎn)生等離子的這一過程同時伴隨著某些物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，化學(xué)效應(yīng)主要是指脈沖放電過程中強(qiáng)的電場在放電空間形成了一個等離子體通道，這一通道中存在高能電子、離子、激發(fā)態(tài)離子以及多種氧化性物種，包括·OH、·0、02-、·HO2、H202、03等，這些氧化性自由基和氧化性分子均具有較高的氧化電位，可以有效地氧化降解水體中的有機(jī)物分子。物理效應(yīng)則是伴隨放電在水溶液中形成的高溫?zé)峤狻⒊暡ê妥贤夤獾萚9]。

2.等離子體技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

2.1 處理有機(jī)污染物甲苯[1]

甲苯是一種有機(jī)溶劑，經(jīng)常代替苯作為溶劑。目前的處理方法存在控制難度大、能耗高、要求雜質(zhì)少等缺點(diǎn)。脈沖放電等離子體凈化有機(jī)物甲苯技術(shù)是一種物理與化學(xué)相結(jié)合的新方法，利用脈沖放電形成非平衡等離子體，產(chǎn)生大量高能活性粒子，其中電子與甲苯分子碰撞；當(dāng)電子具有的動能高于苯環(huán)中C—C鍵結(jié)合能時，苯環(huán)被打開，進(jìn)而被氧化成二氧化碳和水。

2.2 降解水中的苯酚[5]

苯酚類化合物是一類毒性較強(qiáng)的有機(jī)污染物，對生態(tài)環(huán)境影響較大。研究證明，等離子體技術(shù)可提高廢水的可生化性，從物理和化學(xué)效應(yīng)可以看出，高壓脈沖放電降解苯酚實(shí)質(zhì)上是臭氧氧化、光催化氧化、紫外線等多種效應(yīng)起用的結(jié)果。放電電壓越高、氣流量越大去除效果越好?？傊?，苯酚溶液在脈沖放電下的降解途徑有兩個：一是直接降解成二氧化碳和水，另外生成其他烯烴類物質(zhì)；二是隨著放電能量的增加，最終產(chǎn)物是二氧化碳和水。

2.3 處理硝基苯廢水

水中的硝基苯（C6H5NO2）主要來源于工業(yè)排放的廢水。C6H5NO2屬生物難降解物質(zhì)，對人體及生態(tài)系統(tǒng)有毒害作用，國家環(huán)保局已將其列入68種優(yōu)先控制污染物名單。目前的降解方法都未實(shí)現(xiàn)實(shí)用化[8]。

用脈沖電暈等離子體處理C6H5NO2的基本過程是：·OH與硝基苯同時發(fā)生加成和奪氫反應(yīng)形成環(huán)己二烯自由基中間體，這些硝基環(huán)己二烯自由基中間體很快失去一個H20或HN03形成硝基苯自由基或苯自由基，·OH也有可能與硝基苯直接發(fā)生奪氫反應(yīng)，生成硝基苯自由基.這些自由基立即與水中大量存在的O2、O3、·OH等結(jié)合形成幾種酚類物質(zhì)；然后這些酚類物質(zhì)在O2、O3、·OH的作用下開環(huán)，形成烯酸物質(zhì)，烯酸物質(zhì)氧化形成酮、醛、羧酸和H2O2，有機(jī)物進(jìn)一步礦化形成CO2[6]。

2.4 降解水中的TNT[4]

TNT的反應(yīng)機(jī)理以·OH為主，受羥基自由基的攻擊，生成2，4，6三硝基苯甲酸、1，3，5三硝基苯，并進(jìn)一步被氧化、開環(huán)，最終生成甲酸、硝酸等低分子酸和小分子無機(jī)物。

實(shí)驗(yàn)表明：在脈沖電壓為9.75kV，脈沖頻率為125HZ，電極間距為20mm的實(shí)驗(yàn)條件下，初始濃度為30mg/L的TNT水溶液處理60min后，降解率達(dá)到66.1%；添加適量的Fe2+對TNT降解效率有明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)Fe2+濃度為0.15mmol/L，處理60min后可以使TNT降解率達(dá)到84.0%，比相同條件下不加Fe2+提高了17.9%；而添加H202對TNT降解有抑制作用，H202濃度越高，其抑制作用越明顯。

2.5 處理垃圾滲濾液[2，7]

垃圾滲濾液是一種很難處理的廢水，其水質(zhì)水量受多種因素影響而變得非常復(fù)雜，目前尚無十分完善的處理工藝。高壓脈沖放電可產(chǎn)生非平衡等離子體和臭氧，并不斷輻射紫外線，其中的電子（2-20eV）在自由行程內(nèi)引起一系列分子的電離和激發(fā)，與廢水和空氣作用時產(chǎn)生大量與有機(jī)物作用的自由基，從而破壞有機(jī)物分子。提高了滲濾液的COD與BOD5值，在一定程度上提高了滲濾液的可生化性。

3.脈沖放電等離子體技術(shù)前景展望

3.1 脈沖放電等離子體技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

脈沖放電降解有機(jī)物過程非常復(fù)雜，是集光、電、化學(xué)等多種氧化于一體的新型水處理技術(shù)，是多種高級氧化技術(shù)的協(xié)同效應(yīng).對目前污水中存在的各類有機(jī)物的降解均有廣泛的適用性，而且因其利用的能源清潔、高效，使這種技術(shù)更具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。國內(nèi)外利用高壓脈沖放電技術(shù)處理水中不同污染物的研究較多，主要集中于有毒有害的生物難降解的有機(jī)污染物的處理和殺菌消毒的研究。目前，應(yīng)用這一技術(shù)治理水環(huán)境尚處于探索階段，要實(shí)現(xiàn)其在廢水處理中的產(chǎn)業(yè)化，需要繼續(xù)努力。

3.2 可突破方面[3]

3.2.1 反應(yīng)條件的優(yōu)化

反應(yīng)條件包括脈沖電源參數(shù)、電極參數(shù)、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)和原水性質(zhì)等?？疾煸谧罴逊磻?yīng)條件下脈沖電暈放電技術(shù)對目標(biāo)污染物的去除率，粗算成本，初步判斷該技術(shù)在處理水體污染突發(fā)事件中的適用性和實(shí)用性。換言之，也就是確定該技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用潛力以及對其后續(xù)的研究是否有必要。

3.2.2 設(shè)計(jì)高效反應(yīng)器

在今后的研究中，可以對反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一步改造，有以下幾個努力方向值得嘗試：反應(yīng)器形式、進(jìn)水采用的形式，進(jìn)水方向與等離子體氣體入口方向等。為了充分利用等離子體中的紫外線等，可以將反應(yīng)器內(nèi)壁涂上一層TiO2等光催化劑，如果長期運(yùn)行該等離子體設(shè)施，可以考慮將其轉(zhuǎn)化成其他能量形式，能量的回收可以降低處理成本，提高技術(shù)的實(shí)用性。

3.2.3與其他工藝的聯(lián)合使用

當(dāng)前，等離子體技術(shù)在水處理中的應(yīng)用還處在研發(fā)階段，工程應(yīng)用還尚需時日，但隨著等離子體技術(shù)的不斷完善，它必須與其他工藝聯(lián)合應(yīng)用，揚(yáng)長避短，充分開發(fā)該技術(shù)的潛力，更好地服務(wù)于水處理工程?？梢詫⑺杏袡C(jī)物的相對分子質(zhì)量分布作為評價(jià)指標(biāo)，由此將水中有機(jī)物的相對分子質(zhì)量分布分成幾個區(qū)間段：較大的分子可以采用強(qiáng)化混凝、深層砂濾等常規(guī)工藝去除；中間分子（尤其是環(huán)狀或毒性有機(jī)物）可以采用等離子體技術(shù)去除。殘余有機(jī)物通過膜分離或活性炭吸附等工藝去除；最后，核算成本。通過以上努力可以弄清楚該技術(shù)在組合工藝中所處的地位和應(yīng)該承擔(dān)的任務(wù)，也就能最大程度地挖掘該技術(shù)對污染物的去除能力和市場潛力。

參考文獻(xiàn)：

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