等離子體技術(shù)在廢水處理中的研究進(jìn)展

李曉艷

摘 要：近年來(lái)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，城市化進(jìn)程逐漸加快，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水與生活廢水，部分廢水中有大量復(fù)雜性有害物質(zhì)，如果未經(jīng)處理便排放，將會(huì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，對(duì)人們的生活產(chǎn)生極大的影響。因此，廢水處理工作極為重要，各項(xiàng)廢水處理技術(shù)也得到了進(jìn)一步完善，被廣泛應(yīng)用于廢水處理中。經(jīng)濟(jì)、高效、無(wú)二次污染的廢水處理技術(shù)一直是業(yè)界人員研究的方向。其中，低溫等離子體技術(shù)是一項(xiàng)新型污水處理技術(shù)，整體處理效果良好，且適用范圍比較廣，受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。分析低溫等離子體技術(shù)對(duì)廢水進(jìn)行處理的基本原理，并闡述了當(dāng)前低溫等離子體技術(shù)的發(fā)展研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步探討了低溫等離子體技術(shù)在廢水處理過(guò)程中面臨的相關(guān)問(wèn)題與應(yīng)用前景，希望可以為相關(guān)從業(yè)人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：低溫等離子體；廢水處理；研究進(jìn)展

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（18JK1102）

隨著工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的廢水與廢棄物，廢水處理至關(guān)重要。通過(guò)有限的成本，最大限度地保證廢水的排放符合排放標(biāo)準(zhǔn)、達(dá)到回收要求是當(dāng)前污水處理的最終目標(biāo)。但是廢水中含有大量有毒有害物質(zhì)，很難有效降解，大量的難降解有機(jī)化合物以及表面活性劑等，也是保證廢水處理達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、要求的重點(diǎn)、難點(diǎn)所在。

對(duì)于廢水中存在的污染物，當(dāng)前已經(jīng)有多種處理技術(shù)和方法，且被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐研究中。高溫氧化、催化氧化以及低溫等離子體氧化等技術(shù)由于對(duì)難降解有機(jī)物有良好的去除效果，備受社會(huì)各界的關(guān)注。其中，低溫等離子體中包含強(qiáng)氧化性的羥自由基、激發(fā)態(tài)原子以及高能活性粒子，能夠有效降解有機(jī)物，在氧化過(guò)程中，也會(huì)發(fā)生沖擊波、紫外光輻射等物理化學(xué)反應(yīng)，有助于加快有機(jī)物的進(jìn)一步降解。近年來(lái)，由于其高效的降解能力且無(wú)二次污染，該技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。

1 低溫等離子體技術(shù)原理

等離子體主要是在相對(duì)特定的反應(yīng)環(huán)境中，高壓脈沖電源注入能量到水中或者水面上產(chǎn)生的，當(dāng)在電極和接地極兩者之間施加窄脈沖高壓時(shí)，脈沖電流會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度大幅度上升，從而形成一種放電通道，電子也會(huì)獲得巨大能量從而形成高能電子，和水分子碰撞發(fā)生解離，在高溫環(huán)境下，通道中會(huì)快速出現(xiàn)等離子體。低溫等離子體主要由高能電子、正負(fù)離子、強(qiáng)氧化性自由基以及激發(fā)態(tài)分子、原子等共同組成，在放電環(huán)境中，活性物質(zhì)會(huì)使污染物中的不飽和鍵產(chǎn)生斷鍵與開(kāi)環(huán)等反應(yīng)，將廢水中的大分子物質(zhì)逐漸分解，變?yōu)樾》肿?，甚至將其完全礦化，有助于提升難降解物質(zhì)的整體可生化性。

低溫等離子體技術(shù)具有高存儲(chǔ)能力、高密度等優(yōu)勢(shì)，可將放電能量以電離能、分子動(dòng)能等形式儲(chǔ)存在等離子體中，在反應(yīng)過(guò)程中逐漸轉(zhuǎn)化為光能、熱能與壓力勢(shì)能等，在等離子體中形成壓力梯度，熱輻射壓力與膨脹勢(shì)能疊加，以水分子慣性為基礎(chǔ)，通過(guò)波的形式傳遞出去，從而產(chǎn)生沖擊波。等離子體熱能會(huì)使周邊的液體氣化，快速形成內(nèi)能與膨脹勢(shì)能。氣泡中的溫度與壓強(qiáng)也會(huì)大幅度上升，當(dāng)介質(zhì)相對(duì)均勻時(shí)，動(dòng)能和位能之間會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生膨脹與收縮的反應(yīng)過(guò)程。等離子體逐漸消失，氣泡便會(huì)慢慢形成，其中存在許多離子、自由基、原子以及分子，氣泡破滅之后，會(huì)朝著周邊介質(zhì)逐漸擴(kuò)散。所以，等離子體中的熱能會(huì)朝著周邊傳輸，同時(shí)，高壓、高溫會(huì)使蒸汽泡出現(xiàn)，其在溫度與壓力的影響下可形成超臨界水。低溫等離子體受到高溫?zé)峤狻⒆贤夤饨?、超臨界水氧化等多項(xiàng)技術(shù)影響，包含等離子體中有機(jī)物的降解和通道之外的氧化[1]。

2 低溫等離子體裝置

2.1 電源

低溫等離子體產(chǎn)生的基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)是高壓電源，當(dāng)前用于產(chǎn)生低溫等離子體的電源主要分為直流與交流兩種。直流高壓電源針對(duì)放電的實(shí)際連續(xù)性，又可劃分為高壓脈沖電源與高壓電源，后者可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性放電，前者主要是通過(guò)放電開(kāi)關(guān)以及火花隙開(kāi)關(guān)、高容量電容共同形成放電回路，實(shí)現(xiàn)脈沖放電。當(dāng)前關(guān)于交流放電所產(chǎn)生的低溫等離子體對(duì)廢水進(jìn)行直接處理的相關(guān)研究不多[2]。

為了促進(jìn)低溫等離子體廢水處理朝著工業(yè)化的方向發(fā)展，對(duì)大功率脈沖電源的研究與開(kāi)發(fā)成為當(dāng)前的重點(diǎn)研究方向。當(dāng)前火花隙脈沖電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐中。平均功率2 kW的脈沖電源，也為該項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展與應(yīng)用提供了保障。

2.2 反應(yīng)器

低溫等離子體對(duì)廢水進(jìn)行處理的反應(yīng)裝置是對(duì)電能進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所，也是該技術(shù)的核心處理部分。目前，低溫等離子體在廢水處理過(guò)程中，主要是針對(duì)電極的整體結(jié)構(gòu)差異性，包括線筒式反應(yīng)器、泡沫式反應(yīng)器以及介質(zhì)阻擋放電式反應(yīng)器等。

針板式反應(yīng)器是目前應(yīng)用最廣泛、相關(guān)研究最多的一種反應(yīng)器，由針電極與板電極組成。針電極進(jìn)行電極放電，其主要材料為不銹鋼，也有鋁、鉑等材質(zhì)的放電材料。板電極主要用作接地電極，主要材質(zhì)是不銹鋼，由于放電電極針的具體數(shù)目存在很大的不同，可分為單針板與多針板兩種反應(yīng)器類型。針對(duì)放電介質(zhì)存在很大不同的特征，又可以將其分為氣相放電以及液相放電兩種[3]。

氣相放電反應(yīng)器的針電極位于板電極之上，兩者之間相隔一定距離，被處理溶液會(huì)在電極中流動(dòng)，完成放電，同時(shí)，等離子體中的有效成分和液面的一些復(fù)雜污染物發(fā)生反應(yīng)。多根針在相同平面中可共同組成多針?lè)烹婋姌O。水中放電反應(yīng)器針電極與板電極通常存在于溶液中，部分情況下，為了進(jìn)一步探討在溶液中通入不同氣體對(duì)整體處理效果所產(chǎn)生的影響，會(huì)采用空心針電極對(duì)氣體進(jìn)行引入。

棒式反應(yīng)器的兩個(gè)電極都是以棒狀的形式存在，電極之間的距離非常短，當(dāng)施加高壓電流之后，會(huì)逐漸形成電弧進(jìn)行放電，從而逐漸產(chǎn)生等離子體，產(chǎn)生輻射以及紫外光的同時(shí)，伴有很強(qiáng)的沖擊波。這樣的反應(yīng)器可用于殺菌、降解以及除銹，但是會(huì)存在電極腐蝕嚴(yán)重的情況，且影響放電，導(dǎo)致放電穩(wěn)定性不高，等離子體中會(huì)產(chǎn)生活性物，其所產(chǎn)生的能量效率非常低。

線筒式反應(yīng)器主要用于接地電極以及氣相放電，放置于反應(yīng)器器壁上方，放電電極主要位于軸心的部位。西方國(guó)家最早采用該方法以及結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器處理廢水，并深入研究了高壓脈沖殺菌方法。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器和其他反應(yīng)器相比，有顯著的效果。

環(huán)筒式反應(yīng)器的放電電極以金屬為主，接地電極是金屬柱面，并在反應(yīng)器中放置不銹鋼圓環(huán)，能夠有效改善等離子體針、板反應(yīng)器針尖耗損的情況。數(shù)據(jù)顯示，增加環(huán)電極數(shù)目，可產(chǎn)生許多等離子體，但是如果數(shù)量在3個(gè)及以上便會(huì)出現(xiàn)火花放電[4]。

泡沫式反應(yīng)器是一種新型放電反應(yīng)器，在內(nèi)部放置兩個(gè)多孔陶瓷擴(kuò)散器，液、氣相都是可以從底部進(jìn)入的，通過(guò)多孔陶瓷擴(kuò)散之后，會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，并逐漸進(jìn)入放電區(qū)域。該方法也能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，提高整體放電效果，有效加強(qiáng)熱與傳質(zhì)之間的交換，從而有效提升氧化劑產(chǎn)量。

介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器是比較常見(jiàn)的放電反應(yīng)器統(tǒng)稱，主要是在反應(yīng)器的電極上方覆蓋相應(yīng)的絕緣介質(zhì)，在兩電極之間增加高壓交變電之后，因?yàn)榇嬖诮橘|(zhì)，處理對(duì)象在高壓下會(huì)出現(xiàn)均勻的絲狀流光放電。在放電過(guò)程中，電子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均能量值，使水分子、有機(jī)物分子等逐漸產(chǎn)生電離，激發(fā)活性粒子。該類反應(yīng)器能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的放電，同時(shí)能夠有效避免溶液與電極之間直接接觸，大幅度延長(zhǎng)電極的使用壽命[5]。

3 低溫等離子體技術(shù)處理廢水的研究進(jìn)展

通過(guò)低溫等離子體處理難降解廢水的相關(guān)研究仍處于發(fā)展階段，主要為單一化的模擬廢水，如染料、苯酚等，等離子體在去除廢水中有機(jī)物的過(guò)程中，和多種因素有密切的聯(lián)系，包括電極極性、放電頻率、pH、添加劑等。

3.1 液相放電處理廢水

液相放電主要指的是沒(méi)入水中的高壓電極與地電極在能量注入水中后會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化氫、臭氧等物質(zhì)，早在20世紀(jì)80年代，國(guó)外便采用了針板式反應(yīng)器，進(jìn)一步研究了放電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)情況。結(jié)果顯示，在染料溶液中完成放電時(shí)，加入混合氣，降解率高達(dá)80%，隨后又有學(xué)者通過(guò)棒式反應(yīng)器進(jìn)行放電反應(yīng)，對(duì)水中的氯酚進(jìn)行處理，去除率為36%[6]。在之后的研究中加入了活性炭，并實(shí)時(shí)觀察對(duì)水中酚產(chǎn)生的影響。數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于單獨(dú)放電以及活性炭酚的整體去除率顯著提高，學(xué)者認(rèn)為其主要是因?yàn)榛钚蕴康奈阶饔茫烹娫诨钚蕴勘砻嬲T發(fā)化學(xué)反應(yīng)。隨后環(huán)筒式反應(yīng)器在脈沖放電過(guò)程中，等離子流柱會(huì)有更大的通道，比單環(huán)放電電極反應(yīng)器的整體效率更高，染料脫色率在95%以上，最終得出，苯是最難去除的物質(zhì)，其實(shí)際去除率與溶液的濃度以及氧氣的實(shí)際流量有關(guān)。

3.2 氣相放電處理廢水

在施加電壓的情況下，兩電極之間的氣體介質(zhì)會(huì)受到?jīng)_擊，所產(chǎn)生的非平衡等離子體擴(kuò)散到液體中，和污染物發(fā)生反應(yīng)。單針板反應(yīng)器在施加非脈沖直流高壓時(shí)，可通過(guò)低氣壓放電，對(duì)水中的氯苯酚進(jìn)行處理，并且能夠監(jiān)測(cè)實(shí)際反應(yīng)情況，有效提高放電電流、攪拌速率，降低pH，提高實(shí)際轉(zhuǎn)化率。在低氣壓環(huán)境下，放電過(guò)程需要更低的電壓，和常壓氣相放電相比，對(duì)于相同污染物的轉(zhuǎn)化與處理所需要的實(shí)際能量會(huì)更少。

4 目前存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前對(duì)于低溫等離子技術(shù)在廢水處理中的相關(guān)理論研究是非常多的，但是對(duì)于不同的有機(jī)物以及廢水降解的報(bào)道比較少，廢水的作用機(jī)理以及相關(guān)影響因素對(duì)實(shí)際處理結(jié)果的影響相關(guān)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且實(shí)驗(yàn)重復(fù)性也比較差。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，降解效率低、能耗高等問(wèn)題依然存在。今后的相關(guān)研究工作應(yīng)當(dāng)集中在相關(guān)參數(shù)以及放電方式等方面，不斷優(yōu)化工藝，提升電源設(shè)備的高效性，保障工藝流程的設(shè)計(jì)合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

低溫等離子體技術(shù)是一種新型高級(jí)氧化技術(shù)，具備電子輻射、高溫?zé)峤庖约俺粞跹趸榷喾N效應(yīng)的協(xié)同降解能力，可有效去除難降解物質(zhì)，整體效果好，處理速度快，且沒(méi)有二次污染，在常溫常壓下可進(jìn)行，在有毒廢水降解過(guò)程中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景非常廣闊。

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