大氣壓等離子體染料廢水處理裝置的設(shè)計

趙迪++王達成++簡民++劉兆亨

摘要：由于工業(yè)廢水產(chǎn)生的有機污染物含量高、難處理、而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，研究一項新型的廢水處理技術(shù)，成為了當(dāng)前緊迫任務(wù)。而在處理廢水技術(shù)的新工藝中，大氣壓下等離子技術(shù)有著更高的降解能力。大氣壓等離子體是一種高能活性粒子的物質(zhì)，處理效率高，成本低，操作方便，而且不會產(chǎn)生二次污染。我的論文主要研究了等離子體的基本性質(zhì)，DBD等離子體染料廢水處理的設(shè)計及其發(fā)射光譜的相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：大氣壓等離子體；DBD放電；有機染料；發(fā)射光譜法

引言

低溫等離子體又叫非平衡等離子體體系，低溫等離子體又可以根據(jù)粒子的溫度和熱力學(xué)狀態(tài)分為熱等離子體和冷等離子體[1-3]。近幾年，隨著對大氣壓等離子體的進一步研究，等離子刻蝕、鍍膜、臭氧合成、材料表面改性、染料廢水處理等方面得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。論文研究的是大氣壓下，介質(zhì)阻擋放電處理染料廢水技術(shù)。本文中，研究了等離子體基本性質(zhì)、DBD等離子體處理有機染料方面以及發(fā)射光譜法的相關(guān)研究，設(shè)計等離子體裝置，利用空氣為放電氣體，通過實驗研究驗證等離子裝置對燃料廢水的退色效果，測量了大氣壓下介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的發(fā)射光譜并且采用發(fā)射光譜對褪色機理進行分析。實驗

DBD等離子體氧化有機染料原理：染料廢水中的有機物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以溶解性很差，傳統(tǒng)的處理技術(shù)工藝非常困難，而且降解效果不顯著。針對一這問題提出的大氣壓下等離子等離子處理染料廢水裝置是通過等離子體放電將空氣中的氧氣氧化成臭氧，對有機污染物的結(jié)構(gòu)進行破壞從而降解。最終將有機降解為二氧化碳、水和無機鹽。

實驗裝置設(shè)計：實驗裝置設(shè)計：為了提高等離子體反應(yīng)的穩(wěn)定性，本實驗采用了同軸圓筒的設(shè)計。上下由聚四氟乙烯做的方形板，用于密封整個實驗裝置，固定電極和進出水口及進出氣口；電極部分，采用半徑為10mm，長度為10cm的銅棒作為高壓電極，采用循環(huán)電解液作為地電極；整體采用外徑為50mm，長度為15cm，厚度為1.5mm的石英玻璃管；采用外徑為30mm，長度為15cm，厚度為2mm的石英玻璃管作為阻擋介質(zhì)。在上方的聚四氟乙烯板上面內(nèi)測的兩個進氣孔，用來鼓入空氣，下方的一個氣孔用來排出氣體，聚四氟乙烯板上外側(cè)的兩個孔一個是用來進電解液，一個是用來導(dǎo)出電解液的，利用水泵達到循環(huán)電解液的效果。實驗中的染料廢水是實驗室配置的，取一定量的顏料溶解在水中。所用電源低溫等離子體實驗電源（CTP-2000 coronalab）輸出電壓：0～30KV頻率選擇范圍：1KHz～100KHz，氣體選用空氣。

實驗方法：取500ml配置好的染料廢水。開啟氣泵，電源，將空氣通過塑膠管吹入等離子體發(fā)生裝置，再將等離子體尾流通入廢液中，每隔30分鐘，取等量廢液，進行觀察。

圖1 等時取出的廢水樣品

2 實驗結(jié)果與分析

染料廢水脫色效果及放電電學(xué)參數(shù)：在實驗過程中，染料廢水上出現(xiàn)大量氣泡，并伴隨著強烈的魚腥味。經(jīng)過處理后的廢水顏色慢慢變淺，如下圖1所示。

介質(zhì)阻擋放電的功率也是一個重要參數(shù)，它涉及到我們處理過程中的能耗問題，但是由于介質(zhì)阻擋放電的電壓、電流的相位嚴(yán)重失調(diào)，功率的計算和測量就變得十分困難。對于小于10kHz的低頻，而且是理想的正弦波和理想的絕緣介質(zhì)，可以用公式進行計算。

目前對等離子體的功率只能進行宏觀測定，我們利用電壓-電荷李莎如圖形來確定放電功率。我們用下邊的公式計算在一個周期內(nèi)的放電能量，用Wn表示： ， 其中： ，式（1）的積分結(jié)果可以描述為一個周期內(nèi)電壓-電荷的李莎如圖形所圍的面積即放電的功率，用P表示： 式中： 為輸入電壓的頻率。

2.2 DBD等離子體的發(fā)射光譜分析

在本文中，利用Oceanoptic EPP2000光纖光譜儀檢測等離子體放電的發(fā)射光譜，其主要參數(shù)：響應(yīng)波長為：180-900nm。原子發(fā)射光譜法（Atomic Emission Spectrometry，AES），是利用物質(zhì)在熱激發(fā)或電激發(fā)下，每種元素的原子或離子發(fā)射特征光譜來判斷物質(zhì)的組成，而進行元素的定性與定量分析的。

3 結(jié)論

本文中設(shè)計了新型的DBD等離子體裝置、研究了等離子體基本性質(zhì)、DBD處理有機染料方面以及發(fā)射光譜法的相關(guān)研究。我們采用了同軸圓筒結(jié)構(gòu)，增加電極之間的反應(yīng)面積，并采用循環(huán)電解液作為外電極，保證了外電極和阻擋介質(zhì)不會隨著反應(yīng)時間增加而升高，從而穩(wěn)定了反應(yīng)功率。上端采用兩個進氣口保證空氣能夠均勻參與反應(yīng)，等離子體尾流也能均勻從出氣孔排出，進入到染料廢水中。出氣管設(shè)計得盡量短，避免等離子體尾流在導(dǎo)管中與管壁反應(yīng)。在出氣孔與廢水接觸的地方采用了均勻散發(fā)氣體的裝置，保證從導(dǎo)管中出來的等離子體尾流能夠與廢水充分反應(yīng)。

參考文獻：

[1]國家自然科學(xué)基金委員會.自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報告之十四：等離子體物理學(xué)：科技導(dǎo)報，1994；（5）：16-19

[2]Denes F S，Manolaches Prog.Polym.Sci.，2004，29：815

[3] 葛袁靜.等離子體科學(xué)技術(shù)及其在工業(yè)中的應(yīng)用：北京：中國輕工業(yè)出版社.2011：1-3

[4]許根慧，姜恩永，盛京.等離子體技術(shù)與應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：1-13

[5]PVA-TEPLA [online〕Availableon：

[6]辛仁軒編著，等離子體發(fā)射光譜分析，[M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005