介質(zhì)阻擋放電等離子體降解工業(yè)印染廢水研究

曾志根

（深圳市福田區(qū)環(huán)境技術(shù)研究所有限公司，廣東 深圳 518000）

將輕工業(yè)廢水經(jīng)過適當(dāng)處理后變成可再利用的水資源是一項(xiàng)具有重大研究意義的課題。紡織業(yè)的印染廢水產(chǎn)生量不容忽視[1]。工業(yè)染料廢水通常使用物理、化學(xué)或生物等方法處理[2-4]。如果單獨(dú)使用某種方法處理，其結(jié)果有一定局限性，所以需要研發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)，等離子體技術(shù)逐漸進(jìn)入大眾視野。

等離子體由自由電子和大量帶正電或負(fù)電的離子組成，是一種電離了的“氣體”，呈高度不穩(wěn)定狀態(tài)[5-6]。等離子體根據(jù)熱力學(xué)平衡主要分為2大類，即熱等離子體和低溫等離子體。其中低溫等離子體技術(shù)是一種應(yīng)用范圍廣泛的氧化技術(shù)，常常用于工業(yè)印染廢水的降解等方面。介質(zhì)阻擋放電是一種高氣壓下的非平衡放電，更具體來說是在2個(gè)放電電極（高壓電極和接地電極）中間加入石英、陶瓷、云母和玻璃等絕緣介質(zhì)，使得放電電流由于阻擋作用而無法無限增長，削弱了氣體被完全擊穿的能力，最終不會(huì)產(chǎn)生電弧或火花。

介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器一般為板-板式或柱-筒式，研究者們?yōu)檫_(dá)到更佳的工業(yè)印染廢水降解效果，經(jīng)常會(huì)對(duì)反應(yīng)器做出一定改善。梅述芳使用雙介質(zhì)阻擋放電技術(shù)處理降解雙偶氮染料KN-B，得到優(yōu)化的處理?xiàng)l件，此時(shí)脫色率可達(dá)到98.76%[7]；WANG等使用新型雙腔室介質(zhì)阻擋放電設(shè)備研究甲基藍(lán)降解情況，對(duì)比得到優(yōu)化條件下的降解效率氧氣氣氛遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣氣氛[8]；HAMA等以平面降膜為介電阻擋介質(zhì)開發(fā)了一種新型的放電反應(yīng)器，對(duì)甲基藍(lán)的降解礦化率達(dá)到88%[9]。

本研究著手于介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)在降解工業(yè)印染廢水，考察不同的電極結(jié)構(gòu)、放電間距、電壓和放電氣氛對(duì)印染廢水降解的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

介質(zhì)阻擋放電等離子體裝置（包含電源、反應(yīng)器），CTP2000K；示波器，TBS1000C；COD快速檢測(cè)儀，MI-80K COD。

印染廢水，取自加工棉、麻、化學(xué)纖維及其混紡產(chǎn)品為主的印染廠經(jīng)二級(jí)生化后的廢水，除去表面油污和懸浮物后，其COD為20 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)裝置如圖1所示。

圖1 介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)裝置Fig 1 Dielectric barrier discharge reaction device

反應(yīng)裝置為密閉的容器，兩端為高壓放電電極，電極為銅網(wǎng)或銅片。電極電壓通過高壓電源進(jìn)行升壓，高壓電極連有接地裝置。印染廢水通過注入口加入反應(yīng)裝置中。實(shí)驗(yàn)過程中通過示波器檢測(cè)反應(yīng)器電壓電流，定期從出水口取樣進(jìn)行分析，反應(yīng)結(jié)束廢水從取樣口流出。

1.3 放電機(jī)理

大氣壓介質(zhì)阻擋放電由大量時(shí)間和空間上無規(guī)則分布的快脈沖電流細(xì)絲組成，這種電流細(xì)絲稱作微放電。

介質(zhì)阻擋放電通常是絲狀放電，絲狀放電的形成與產(chǎn)生流柱的演化發(fā)展密切相關(guān)。首先，隨著外加電壓增加，在外加電場(chǎng)的作用下，電子獲得能量并與周圍的原子、分子發(fā)生碰撞，碰撞產(chǎn)生出新的電子經(jīng)電場(chǎng)再一次碰撞，從而使電子數(shù)量實(shí)現(xiàn)指數(shù)倍增，在短時(shí)間內(nèi)形成電子雪崩，當(dāng)電子雪崩發(fā)展到足夠大時(shí)而形成流注，流注發(fā)展到陰極時(shí)，這個(gè)過程一般只需要幾納秒，在陽極和陰極之間建立起一個(gè)導(dǎo)電的弱電離通道，當(dāng)電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，最終形成貫穿整個(gè)放電空間的絲狀放電通道，隨后大量的電子通過流注通道積累到陽極介質(zhì)板上，因此，表面電荷與空間離子之間形成與外加電場(chǎng)相反的內(nèi)生電場(chǎng)，電子的不斷積累導(dǎo)致內(nèi)生電場(chǎng)的增大，直到內(nèi)外電場(chǎng)相等，放電熄滅，這一過程一般持續(xù)時(shí)間很短，從發(fā)生電子雪崩到放電熄滅這一過程被稱為一次“微放電”。在同一位置上，只有采用交流電才可以產(chǎn)生連續(xù)的放電與熄滅過程，在此過程中產(chǎn)生大量的活性粒子。

1.4 COD去除率的測(cè)定

介質(zhì)阻擋放電等離子體采用空氣放電，反應(yīng)時(shí)間為10 min，反應(yīng)過程中間隔2 min 在取樣口取樣分析，分析結(jié)束式樣通過印染廢水注入反應(yīng)器中。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極結(jié)構(gòu)對(duì)COD去除率的影響

電極結(jié)構(gòu)對(duì)印染廢水降解的影響如圖2所示。

圖2 電極結(jié)構(gòu)對(duì)COD去除率的影響Fig 2 Effect of electrode structure on COD removal rate

由圖2 可知，隨著電極銅網(wǎng)篩孔孔徑的減小，印染廢水COD 降解效果越好，而銅片電極降解效果最佳。原因是隨著銅網(wǎng)篩孔孔徑減小，銅網(wǎng)之間交叉點(diǎn)增加，放電更加密集，從而形成了更多的活性粒子。與此同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)放電初期COD 去除率增加很快，后期隨著時(shí)間緩慢增加，可能是放電初期形成的大量活性粒子將印染廢水中的染料分子分解成小分子，但是未完全分解成二氧化碳和水，一定程度上抑制了印染廢水的分解效果，從而COD去除率增長緩慢。

2.2 輸入電壓對(duì)COD去除率的影響

不同輸入電壓對(duì)印染廢水COD 去除率的影響如圖3所示。

圖3 輸入電壓對(duì)COD去除率的影響Fig 3 Effect of input voltage on COD removal rate

由圖3 可知，隨著輸入電壓增加，印染廢水COD 的去除率隨之增加，但與輸入電壓的增加相比，COD的去除率增加緩慢。

圖4是等離子體反應(yīng)器內(nèi)部、外部放電功率的比較。

圖4 等離子體反應(yīng)器內(nèi)外部放電功率的比較Fig 4 Comparison of internal and external discharge power of plasma reactor

由圖4可知，隨著輸入電壓增加，等離子體反應(yīng)器內(nèi)部放電功率和外部放電功率同時(shí)增加，當(dāng)輸入電壓為100 V時(shí)，外部放電功率和內(nèi)部放電功率最為接近，說明此時(shí)等離子體功率的轉(zhuǎn)化性能最好，同時(shí)，結(jié)合圖4 分析，優(yōu)化的輸入電壓為100 V。

2.3 放電距離對(duì)COD去除率的影響

不同放電間距對(duì)印染廢水COD 去除率的影響如圖5所示。0 mm表示兩電極緊貼液面，

圖5 放電間距對(duì)COD去除率的影響Fig 5 The effect of discharge spacing on COD removal rate

由圖5 可知，隨著放電距離增強(qiáng)，COD 去除率先增加后降低，原因是放電距離增加會(huì)減弱絲狀放電效果。但放電距離過小，等離子體反應(yīng)器放電會(huì)產(chǎn)生一定的熱效應(yīng)，反應(yīng)熱會(huì)影響環(huán)境濕度，從而影響放電介質(zhì)氣氛，水分越大越不利于放電，水蒸氣會(huì)抑制絲狀放電的發(fā)生，形成流注放電。當(dāng)兩電極緊貼頁面放電時(shí)，則放電完全變成液相放電，而液相放電擊穿電壓較高，因而不利于放電發(fā)生，從而降低對(duì)印染廢水的降解效果。

2.4 放電氣氛對(duì)COD去除率的影響

不同放電氣氛對(duì)印染廢水COD 去除率的影響如圖6所示。

圖6 放電氣氛對(duì)COD去除率的影響Fig 6 Effect of discharge atmosphere on COD removal rate

由圖6 可知，空氣放電時(shí)COD 去除率最高，氮?dú)獯沃?，氬氣最差。原因是等離子體放電可以產(chǎn)生大量的自由電子，與氣體分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生大量的激發(fā)態(tài)粒子，一些活性粒子轟擊污染物分子從而使其直接降解，一部分轟擊水分子產(chǎn)生活性物質(zhì)，如氧原子、臭氧、過氧化氫和超氧自由基等，其反應(yīng)過程為[10]：

與此同時(shí)等離子體放電過程會(huì)產(chǎn)生紫外光，紫外光可以加速氧氣到臭氧的生成，形成協(xié)同效應(yīng)，因而提高其對(duì)印染廢水的降解率。

2.5 優(yōu)化放電條件下的COD去除率

采用空氣氣氛放電、放電間距3 mm、放電電壓100 V、銅片電極條件下考察優(yōu)化放電條件下降解印染廢水，5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)化條件下的COD去除率Tab 1 COD removal rate under optimized conditions

由表1可知，優(yōu)化放電條件下降解印染廢水的效果比較穩(wěn)定，其COD 去除率在56%左右，具有較好的重復(fù)性。

3 結(jié) 論

以印染廠經(jīng)二級(jí)生化后的廢水，采用介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)，以COD 去除率作為降解評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了不同電極結(jié)構(gòu)、放電電壓、放電功率以及放電氣氛對(duì)降解印染廢水的影響。

結(jié)果表明，電極結(jié)構(gòu)會(huì)影響印染廢水的降解效果，銅網(wǎng)越密集，放電效果越好，降解效果越好。放電電壓越高放電功率越大，降解效果越好，當(dāng)放電輸入電壓為100 V 時(shí)，內(nèi)部功率和外部功率接近，功率轉(zhuǎn)化效率最高。同時(shí)，隨著放電距離增加，降解效果先增加后減小，當(dāng)放電間距為3 mm時(shí)，降解效果為佳?？諝夥烹姼哂诘?dú)夂蜌鍤鈿夥辗烹?，因?yàn)榭諝鈿夥辗烹姴粌H可以產(chǎn)生大量活性粒子，還可以產(chǎn)生臭氧，形成協(xié)同效應(yīng)。