（机械设计及理论专业论文）用等离子体技术处理废水的实验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 等离子体水处理技术是近年来国内外蓬勃发展的一种深度水处理方法。本课 题研制的高压脉冲放电等离子体水处理装置具有结构简单，电气参数易于调节， 适应性广，维护简便，运行可靠等特点。该装置不仅与一般的电液压脉冲水处 理装置不同，而且与目前采用的传统臭氧发生器水处理装置相比较可节约能 耗3 0 以上，处理效果更佳。本文介绍了高压脉冲放电等离子体水处理技术 的原理，分析了影响等离子体水处理效果的有关因素，提出了根据被处理废 水量确定放电电极对数的方法以及整套装置设备的合理配置等。 本实验装置分别对重庆某厂的焦化废水和某垃圾场的垃圾渗透液进行 了实验研究，找出了获得一定处理效果的主要技术参数。本装置还对只经过 沉淀和过滤的饮用水进行杀菌和消毒处理，实验结果表明：经1 5 3 0 分钟处 理后，大肠杆菌和其它微生物的杀灭率高达9 5 以上。 通过本课题的实验研究，找出了如何确定等离子体水处理成套设备主要参数 的方法。 关键词：高压脉冲放电水处理等离子体臭氧 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w a s t ew a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yb yp l a s m ai so n eo fd e v e l o p i n gd e e pw a t e r t r e a t m e n tm e t h o d si nd o m e s t i ca n df b f e i 弘r e c e n t l y t h eh i g hv o l t a g ep u l s e dd i s c h a r g e p l a s m aw a t e rt r e a t m e n te q u i p m e n t i si n t r o d u c e d t h et r e a t m e n te q u i p m e n th a s f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：s i m p l es t r u c t u r e ，t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r se a s yt oa d j u s t , b r o a da d a p t a b i l i t y , s i m p l em a i n t e n a n c e , r e l i a b l eo p e r a t i o na n ds oo n n o to n l yt h i s e q u i p m e n ti sd i f f e r e n tf r o mg e n e r a le l e c t r o h y d r a u l i ci m p u l s ew a t e rt r e a t m e n td e v i c e ， b u ta l s ot h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni sr e d u c e dm o r et h a n3 0p e r c e n tt h a nc o n v e n t i o n a l o z o n eg e n e r a t o rw a t e rt r e a t m e n td e v i c e ，a n dt h et r e a t m e n te f f e c ti sg o o d t h ep r i n c i p l e o fh i g hv o l t a g ep u l s e dd i s c h a r g ep l a s m aw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , s o m ef a c t o r s e f f e c t i n gw a t e rt r e a t m e n te f f e c t , a n dt h em e t h o df o rd e t e r m i n i n gq u a n t i t yo fd i s e h a l g e e l e c t r o d ec o u p l e sa c c o r d i n gt oa m o u n to fw a s t ew a t e rt r e a t e da n dr e a s o n a b l e c o n f i g u r a t i o no f c o m p l e t ee q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s o m ep l a n tc o k i n gw a s t ew a t e ra n dad u m p i n gs i t et r a s hp e n e t r a t i n gf l u i di n c h o n g q i n g a l es e p a r a t e l yt r e a t e db yt h i se q u i p m e n t m a i np a r a m e t e r sf o rg e t t i n gc e r t a i n t r e a t m e n te f f e c ti sf o u n d i na d d i t i o n , t a pw a t e rw h i c hi sd e p o s i t e da n df i l t e r e do n l yi s s t e r i l i z e da n dd i s i n f e c t e db yt h i sd e v i c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e e l i m i n a t i n gr a t eo fb a c k w o o d se n l ia n do t h e rm i c r o o r g a n i s mi sm o r et h a n9 5p e r c e n t a f l 盯1 5t o3 0m i n u t e st r e a t m e n t i nt h i ss t u d y , t h em e t h o dh o wt od e t e r m i n em a i np a r a m e t e r sf o rt h ep l a s m aw a t e r t r e a t m e n te q u i p m e n ti sp r o v i d e d k e y w o r d s ：h i g hv o l t a g ep u l s e dd i s c h a r g e w a t e rt r e a t m e n tp l a s m ao z o n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳易艮多渺 签字日期：矽矽年细巧自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名牙莎肜 签字日期：沙吵年夕月巧日 7 ， 导师签伸 签字日期：加7 年年月谚咱 | 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 我国水资源的现状 我国是水资源相对贫乏的国家，水资源总量约2 8 0 0 0 亿m 3 ，人均水资源占有 量仅为世界人均占有量的1 4 ，而且我国水资源地区分布很不均，衡l “。随着工业化 的发展和人类物质生活的提高，水污染的日趋严重，饮用水的水源也受到不同程 度的污染，从而使饮用水水质变差。2 0 0 1 2 0 0 3 年我国七大流域干流地表水的水 质的总体评价是“水质状况略有下降”，而经济发展势头强劲的长江和珠江流域，近 年来水质为、v 类的江段一直在2 0 以上，主要污染指标为高锰酸盐指数、氨 氮等m j 。因此，水环境的污染已成为我国目前急待解决的问题。 据世界卫生组织( w h o ) 报道：发展中国家3 4 的农村人口和l 3 的城市人口得 不到安全卫生的饮用水，8 0 的疾病和1 3 的死亡率与饮用受污染的水有关。我国 5 3 2 条主要河流中，4 3 6 条已经被严重污染。2 0 0 2 年国家环保局发布通报显示：我 国七大水系普遍被污染，且主要以致癌物一各种有机污染为主。 水的污染一般分为3 种情况：物理性污染，即水中含有可见的污泥、铁锈、 杂质，以及看不到的重金属微粒和放射性元素；生物性污染，即水中的细菌、 藻类、病毒等；化学性污染。据世界卫生组织( w h o ) 调查表明：水中至少含有 6 0 种以上的有害物质，其中2 0 种以上是致癌物质。可见，化学性污染更为严重， 其来源主要是工厂排放的废水、废气、废渣，农业使用的农药、化肥、杀虫剂、 除草剂，以及我们生活中使用的洗衣粉、洗涤剂、肥皂水等。这么多的废水要进 行处理是非常困难的。而事实上，9 5 的污水未经任何处理就直接流入江河湖泊， 渗入地下，严重地污染了我们的饮用水源”j 。 江河污染严重，人们却不得不从江河中汲取饮用水。目前我国自来水的净化 杀菌过程主要是施加氯气来完成的，而氯气本身也是一种有毒的物质，它能杀死 细菌，但也能危及生命。氯气还能和自来水中的有机物发生化学反应，生成有机 化合物三氯甲烷一j ，这是世界上公认的致癌物质。1 9 7 4 年美国新奥尔良地区 就曾因在自来水中投放过量氯气，造成该地区的癌症发病率和死亡率高于其它地 区2 0 。现在国外一些专家称这种用氯气杀菌、消毒的自来水为“致癌水”。 目前，国际上公认的比较理想的杀菌物质是臭氧，臭氧的杀菌效果是氯气的 近干倍，只是臭氧的生产成本高。因此，尽管世界卫生组织( w h o ) 早在2 0 世纪7 0 年代就不主张用氯气作为自来水的消毒剂，但是除了欧美国家和某些发达地区外， 绝大多数国家( 包括我国) 和地区仍然用氯气作为杀菌、消毒的主要手段。氯能灭菌， 也能致癌。此外，氯还会引起血管壁的动脉硬化，它是心脏病的祸根。自来水的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 氯还会破坏维生素c ，这是因为维生素c ( 抗坏血酸) 和氯反应，会变为氧化体与盐 酸，使维生素c 失效。1 9 7 8 年日本京都大学的系川佳则教授发表了“用自来水煮饭， 维生素b 、e 会减少一半”的报道。 此外，自来水的二次污染也很严重。从水厂出来的自来水要经过密如蛛网的 地下管道，再爬上高层楼房的水箱，然后流到千家万户。在这漫长曲折的过程中， 又将遭受二次污染。地下自来水管道多为铸铁管，年久失修，地下脏水、污水渗 入现象时有发生。最令人堪忧的是高层建筑的蓄水箱，几乎在每个城市都是被人 遗忘的角落，无人管理，无人监督，无人清洗，尤其是夏季高温，这里简直成了 细菌滋生的温床，有的蓄水箱里落水而死的老鼠泡得比猫还大p j 。目前我国7 9 的人饮用的就是受二次污染的水。 1 2 水源污染对健康的影响 水是生命之源，是地球上一切生物维持生命的必要条件之一。当水体受到人 为因素或自然因素的影响而使水质发生改变时，将影响水的正常和有效利用，并 使生态环境遭到破坏，甚至危害人体健康。 1 2 1 水对人体的重要性 在我们摄入的食物中，没有一样能像水那样重要，但却往往被人们忽视，口 渴比饥饿更加令人难以忍受。虽然在绝食的条件下，人仍然可以存活数周之久， 但必须要不断地补充水分。对整个生物而言，再也没有比水分更珍贵的东西了， 水、阳光、空气虽然都是生物生命之源泉，但当你被困于空气稀薄、没有任何食 物、黑暗的洞穴环境里的时候，只要有水喝，仍然可以活上两三个星期，然而一 旦断绝了水却仅仅有数天的活命。 我们体内经常维持着一定量的水分，也就是说，我们所摄取的和排出体外的 水分要保持相等的量，即机体每天摄入和排出的水量处于动态平衡状态。当缺水 达到体重的2 时，就会感到口渴；达到体重的5 时，就会感到疲劳乏力，活动 能力下降；达到体重的1 0 时，就会头痛、头晕、血压下降、脉搏细弱、面色苍 白、四肢冰冷，继而休克、昏迷；当失水达到体重的2 0 时，就会危及生命。 饮水是人体的生理需要。一般情况下，成人每天摄入和排出的水各约2 5 0 0 m l 。 摄入体内的水大部分来自饮水，小部分来自食物以及人体内糖、脂肪和蛋白质代 谢过程中产生的代谢水。水是人体的重要组分，正常成人体内水分含量约占体重 的6 5 ，儿童体内的水分则可达体重的8 0 。 1 2 2 水源污染可能带来的健康问题 俗话说，“病从口入”。人们在饮水的同时，也将水中所含有的各种有益和有害 的物质带人体内，对人体健康产生重要影响。如人体内生理、生化活动所需的各 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 种营养成分，特别是无机盐类，大多可随摄入的水进入机体，水中的一些微量元 素也是人体所必需的。而水中的污染物、致病微生物及某些天然存在的化学成分 则可引起介水传染病及公害病、地方病( 生物地球化学性疾病) 等。 随着我国工业的迅速发展，水资源的污染日趋严重，由水体污染而引起的疾 病也越来越多。 介水传染病 介水传染病是由于饮用或接触了受病原体污染的水而引起的一类传染病。经 饮用水传播的主要疾病有：伤寒、副伤寒、细菌性痢疾、霍乱、病毒性肝炎、贾 第鞭毛虫病、隐孢子虫病等。 生物地球化学性疾病 由于某一区域自然界的水和土壤中某种化学元素过多或过少，使当地的动物、 植物和人群中发生特有的疾病，称为生物地球化学性疾病。这些化学元素在人体 内含量虽然很少，却是人体中激素、酶和维生素的组成成分或是人体组织或器官 不可缺少的成分，因此过多或过少，均可引起疾病。 我国常见的与饮用水有关的生物地球化学性疾病是地方性氟中毒、地方性甲 状腺肿和地方性砷中毒。 急、慢性中毒及远期危害 水体受污染后水中各种无机和有机化学物质超过一定含量，可危害人体健康， 引起急、慢性中毒和致癌、致畸等远期危害。如甲基汞引起的水俣病、镉污染水 体后引起的痛痛病等，均为闻名世界的公害病一4 1 。 1 3 我国水处理技术现状 水处理是给水工程的一个重要的组成部分。它的目的是对所选取的水源水进 行适当的处理，去除水中的有害成分，使处理后的水能满足生活饮用水的水质要 求。 饮用水处理涉及多种水处理技术。根据在水处理系统中的这些技术的使用位 置和处理对象，可分为常规处理、深度处理、预处理、纯净水处理、特殊处理等 几大类水处理技术。目前我们国家的绝大多数水厂都是使用常规处理技术，而其 他处理技术成本很高只有少数的水厂在使用，我们主要讨论的是常规处理方法。 1 3 1 常规水处理技术 饮用水常规处理技术及其工艺在2 0 世纪初期就已形成雏形，并在饮用水处理 的实践中不断得以完善。饮用水常规处理工艺的主要去除对象是水源水中的悬浮 物、胶体物和病原微生物等。饮用水常规处理工艺所使用的处理技术有混凝、沉 淀、澄清、过滤、消毒等。由这些技术所组成的饮用水常规处理工艺目前仍为世 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 界上大多数水厂所采用，在我国目前9 5 以上的自来水厂都是采用常规处理工艺， 因此常规处理工艺是饮用水处理系统的主要工艺。 混凝是向原水中投加混凝剂，使水中难于自然沉淀分离的悬浮物和胶体颗粒 相互聚合，形成大颗粒絮体( 俗称矾花) 。沉淀使将混凝形成的大颗粒絮体通过重力 沉降作用从水中分离。澄清则是把混凝与沉淀两个过程集中在同一个处理构筑物 中进行。过滤是利用颗粒状滤料( 如石英砂等) 截留经过沉淀后水中残留的颗粒物， 进一步去除水中的杂质，降低水的浑浊度。消毒是饮用水处理的最后一步，向水 中加入消毒剂( 一般用液氯) 来灭活水中的病原微生物。 在以地表水为水源时，饮用水常规处理的主要去除对象是水中的悬浮物质、胶 体物质和病原微生物，所需采用的技术包括混凝、沉淀、过滤、消毒，典型的以 地表水为水源的净水厂处理工艺流程如图1 1 所示。 预加氯混凝剂氧 图1 1 以地表水为水源的自来水厂典型处理工艺流程 f i g 1 1t a p w a t e r p l a n t t y p i c a l p r o c e s s f l o w o f s u r f a c e w a t e r a s w a t e rs o u l c a 管 在以地下水为水源时，饮用水常规处理的主要去除对象是水中可能存在的病原 微生物。对于不含有特殊有害物质( 如过量铁、锰等) 的地下水，饮用水处理只需进 行消毒处理就可以达到饮用水水质要求。其处理工艺流程如图1 2 所示。 井水 氯 管网 图1 2 以地下水为水源的自来水厂典型工艺流程 f i g 1 2t a pw a t e rp l a n tt y p i c a lp r o c e s sf l o wo f g r o u n dw a t e ra sw a t e rs o u r c e 饮用水常规处理工艺对水中的悬浮物、胶体物和病原微生物有很好的去除效 果，对水中的一些无机污染物，如某些重金属离子和少量的有机物也有一定的去 除效果。地表水水源水经过常规处理工艺处理后，可以去除水中的悬浮物和胶体 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 物，出厂水的浊度可以降到1 n t u 以下( 运行良好的出厂水浊度可在0 3 n t u 以下) 。 经过良好消毒的自来水可以满足直接生饮对微生物学的健康要求。饮用水常规处 理技术及其工艺在过去的百年中对于保护人类饮水安全、促进社会经济的发展发 挥了巨大的作用巾 l “。 1 3 2 常规水处理技术的局限性 在工业化和城市化尚不发达的时期，天然水体很少受到人类大规模活动的污 染，饮用水水处理的主要对象是水体中的泥沙和胶体物质，以及少量的病原微生 物。水源水经过常规处理后就可以得到透明、无色、无臭、味道可口的饮用水， 那时饮用水处理的任务主要是去除水中的浊度和保证饮用者免受水传播疾病的危 害。 随着工业和城市的发展，以及现代农业大量使用化肥和农药等，越来越多的 污染物随着工业废水、生活污水、城市废水、农田泾流、大气降尘和降水、垃圾 渗透液等进入了水体，对水体形成了不同程度的污染，水中的有害物质的种类和 含量越来越多。 目前饮用水处理面临的问题，除了原有的泥沙、胶体物质和病原微生物外， 主要有：有机污染物、高氨氮、消毒副产物、水质生物稳定性等。 有机污染是受污染水源水饮用水处理面l 临的首要问题。人类合成的有机物中 的相当大的一部分会通过工业废水和生活污水进入水体；未经处理的生活污水中 也含有大量的人体排泄的有机污染物；农田泾流中含有化肥、农药；近年来引起 人们普遍关注的二恶英、内分泌干扰物质( 环境激素) 等污染物质也有可能存在于饮 用水中。这些人工合成的和天然的有机物中有许多对人体健康有着毒理学影响， 一些有机物( 例如腐殖酸、富里酸等) 还会在饮用水的处理过程中与所加入的消毒剂 ( 例如氯) 反应，生成具有“致突变、致畸、致癌”三致作用的消毒副产物，如三卤甲 烷、卤乙酸等。对于有机污染物，常规水处理技术及其工艺的去除作用十分有限， 国内外的研究结果和实际生产结果表明，以去除水中泥沙和胶体物质而发展起来 的混凝、沉淀、过滤等常规处理工艺只能去除水中有机物的2 0 左右，特别是对 于水中溶解状的有机物，除了极少量的有机物会被吸附在矾花和滤料表面上，常 规处理工艺基本上没有去除效果。 未受到污染的水体中氨氮的含量本来是很低的，但是近年来由于水体被污染， 不少地方地表水水源水中氨氮的质量浓度超过或经常超过饮用水水源水对氨氮的 水质要求( 翊5 m g l ) 。我国许多水厂都采用折点氯化法进行消毒，对于氨氮过高的 水源水，在加氯消毒时为了获得自由性余氯必须投加大量的氯来分解氨氮，使水 的加氯量大大增加。高的加氯量更加重了产生消毒副产物的问题。 饮用水的水质生物稳定性问题是2 0 世纪9 0 年代提出的。理想的饮用水中应该 重庆大学硕士学位论文1 绪论 不含有有机物，因此异养微生物无法在自来水中大量繁殖。传统的消毒理论认为， 在已消毒的水中保持有一定浓度的剩余消毒剂的条件下，水中微生物无法再繁殖， 从而保证自来水在自来水配水管网系统中的生物稳定性。但是近年来的研究表明， 如果自来水中含有一定量的可以被异养微生物作为基质利用的有机物，则此种自 来水为生物不稳定的水，即使在水中保持一定浓度的剩余消毒剂，仍然存在着较 高的微生物再繁殖的风险。特别是对于超大型城市配水管网和高位水箱，由于存 在水的停留时间过长、剩余消毒剂被完全分解的可能性，生物稳定性差的饮用水 更容易出现管网或水箱中微生物再繁殖的问题。 近年来，我国水污染的状况十分严重。我国七大重点流域地表水普遍受到有 机污染，各流域干流的断面满足地表水三类及其以上水体水质要求的为5 7 7 ， 2 1 6 的断面为四类水质，6 9 的断面属五类水质，1 3 8 的断面属劣五类水质， 主要污染指标为高锰酸盐指数和氨氮；主要湖泊富营养化程度问题突出，如太湖、 滇池、巢湖等，氮、磷、高锰酸盐指数严重超标；全国多数城市地下水受到一定 程度的点状或面状污染，局部地区地下水部分水质指标超标，主要有矿化度、总 硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰、氯化物、硫酸盐、氟化物、p h 值等“。 可以说，水源受到不同程度的污染是困扰大多数自来水厂的普遍问题。 另一方面，随着对于饮用水与健康关系的研究的不断深入和生活水平的提高， 人们对于饮用水水质的要求也在不断提高。例如，在我国卫生部颁布的于2 0 0 1 年9 月1 日实施的新的生活饮用水水质卫生规范中，设定了水质常规检测项目3 4 项， 非常规检测项目6 2 项。与原来的生活饮用水卫生标准( g b5 7 4 9 8 5 ) 的3 5 项指 标相比较，检测项目增加了很多，并且许多项目的指标更加严格。 对于许多水源受到污染的水厂，常规处理工艺已经无法解决水源不断恶化、 而饮用水水质标准不断提高的矛盾。必须在现有常规处理技术与工艺的基础上， 发展新的水处理技术与工艺。从2 0 世纪7 0 年代开始，经过几十年的努力，国内外 水处理工作者已经研究开发出许多水处理的新技术新工艺，并且已有大量的工程 应用，取得了较好的净化效果，但仍需继续努力研究开发水处理的新技术新设备。 1 4 等离子体技术处理废水的理论介绍 1 4 1 基本原理 最近几十年，深度氧化的水处理方法发展得很快。这些方法有光催化臭氧化 法【1 4 , 1 5 】、超临界水氧化法【16 1 、电子束辐照法【1 7 】等。 高压脉冲放电等离子体技术也是一种深度氧化法。其原理是利用水中高压脉 冲放电过程中所产生的0 3 、o 、o h 等活性自由基团与水的反应，来达到脱除水中 有害物质的目的，同时在液体中形成等离子体通道，在通道内有机物进行热解， 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在通道外有机物通过紫外光解、冲击波作用以及超临界水进行降解，从而脱除水 中的有机物，消除有毒物质。具体说就是：当系统进行脉冲放电时，在液体反应 器中产生等离子通道，同时产生高温高压、紫外线、臭氧、冲击波和超临界水。 我们知道，高温、高压能杀灭病菌，强烈的紫外线能杀灭病菌，臭氧、冲击波以 及超l 临界水能杀灭病菌和对有机物降解，并且在紫外线的催化作用下臭氧的氧化 能力能提高好几倍更能起到杀菌和降解有机物的作用。高压脉冲放电等离子体技 术在水处理中的应用就是充分利用水中放电所产生的各种效应来杀灭病菌和对有 机物的降解。 1 4 2 关键技术 在反应器上安装特殊的喷嘴作电极，并通过此喷嘴向反应器液体中注入空气， 在等离子通道内产生大量的具有强氧化性的臭氧以便杀灭病菌和降解有机物。 臭氧杀菌消毒的主要优点有：第一，臭氧是优良的氧化剂和杀菌剂，可以杀 灭抗氯性强的病毒和芽孢；第二，臭氧消毒受污水p h 值及温度影响较小；第三， 臭氧可以去除污水中的色、嗅、味和氯氰等污染物，增加水中的溶解氧，改善水 质；第四，臭氧可以分解难生物降解的有机物和三致物质，提高污水的可生化性； 第五，臭氧在水中易分解，不会因残留造成二次污染。 图1 3 臭氧灭活病毒的动力学曲线 f i g 1 3d y n a m i c sc 3 j f v co f o z o n ed e a c t i v a t i o nv i r u s 1 5 论文的选题、研究内容及目的意义 1 5 1 课题的提出及目的意义 目前，我们国家有关自来水的处理方法都是一些常规的方法，这些方法不能 7 芒辟捧肆静慑 重庆大学硕士学位论文i 绪论 杀死水中的病毒( 例如s a r s 病毒、禽流感病毒、口蹄疫病毒等) 和细菌。据报道我 国9 0 的纯净水和直饮水都含有病菌，而且在我国主要是用“次氯酸钠”来对自来水 消毒，我们知道氯化消毒不但会产生“剩氯”，而且会产生三氯甲烷或t h m s 等致癌物质”。医学l i 每床证明：“剩氯”对人体有很大危害特别是对大脑和神经的 副作用相当大。针对目前国内外自来水的处理情况以及人们对水质的要求越来越 高，提出了本课题用等离子体技术处理废水的实验研究。 当前，水资源的严重污染和人们对水质越来越高的需求的矛盾使得我们不得 不提出一种净化自来水和处理废水的高效的费用低廉的方法。基于保护人们健康 的迫切性提出本课题，本课题的研究目的就是要实现这种方法，使自来水能达到 标准，人可以直接饮用并能补充人体所必须的微量元素有益于身体健康，能够在 各个生活小区进行批量生产供水，并且对废水进行处理达到排放标准。 随着工业进程的加快，环境污染的日趋严重，水资源的污染越来越大，生活 用水的水质越来越差，严重威胁人们的身体健康。那么水的净化和消毒也日益成 为生活、环保的热点，水处理设备的研究与发展将影响水处理技术的进程。如何 研制开发经济高效的水处理环保设备，是一项重要而艰巨的任务。本课题通过实 验研究高压脉冲放电等离子体技术的机理以及在自来水净化和工业废水处理中的 应用，并确定其最佳参数。高压脉冲放电等离子体水处理技术是一个关系到环保、 电工、材料、生物、机械、化工等多种学科交叉的综合技术，此项技术的研究有 着相当重要的意义。 高压脉冲放电等离子体技术的应用能够解决我国自来水净化和工业废水处理 的问题，满足人们对水质越来越高的需求，加快我国纯净水和优质直饮水行业的 发展，同时此项技术对于工业废水的处理也相当有效，对于环保、生活和提高全 民身体素质有着重要意义。 1 5 2 本课题的研究内容 l 、高压脉冲放电等离子体技术的基本原理。 高压脉冲放电等离子体技术就是在液体反应器中进行脉冲放电时形成等离子 体，同时产生高温、高压、强紫外线、自由基、冲击波和超临界水，更重要的是产 生强氧化性的臭氧，利用这些现象、活性物质和臭氧来杀灭水中的病菌和对有机 物的降解p “j 。 2 、设计高压脉冲放电等离子体技术的新型水处理装置。 3 、利用设计的水处理装置进行实验研究。 1 1 确定出水处理装置中电极的最佳间距以及几何形状； 2 ) 确定等离子体脉冲放电水处理装置中理想的放电电压和放电频率； 3 ) 通过试验和对比，完成整套水处理装置参数的优化； 重庆大学硕士学位论文1 绪论 4 、总结和展望。 本论文的创新之处： 1 ) 完善了原有的高压脉冲放电成套装置，不仅在液体反应器内能形成等离子 体，产生高温、高压、紫外线、冲击波、自由基和超临界水，并且还产生大量的 臭氧。 2 ) 在反应器上安装特殊的喷嘴作电极，从喷嘴向反应器液体中注入空气，对 注入的空气进行放电。 9 重庆大学硕士学位论文2 等离子体的基本理论 2 等离子体的基本理论 2 1 引言 近年来，将高电压技术手段用于难处理的工业污水的研究已引起国内外研究 者们的极大兴趣，特别是利用高压脉冲放电产生等离子体来进行水处理的例子更 是不胜枚举。目前，国内外处理污水的常用方法主要有高能电子束法和电液压脉 冲水处理法m “，也有少数学者在尝试研究脉冲电晕放电等离子体水处理和介质阻 挡放电等离子体水处理的方法弘“，但很少应用到实践中尚处于试验研究阶段。 高压放电等离子体水处理至今尚处于起步阶段，关于其中的理论及其处理原 理非常复杂，它涉及物理、化学、高电压技术、环保等各门学科，是一门新兴科 学。目前，国内外专家学者对于污水处理以电液压脉冲水处理的研究比较多，已 经形成了一些有关高压放电等离子体水处理的初步观点和理论，但仍需进一步研 究。本文正是在已有的理论基础上，对高压脉冲放电等离子体水处理方法进行研 究，以便在实践中进行广泛应用。 2 2 等离子体的性质 等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。等离子体状态是物质存在的 基本形态之一，与固态、液态和气态并列，称为物质第四态，和物质的另外三态 相比，等离子体可以存在的参数范围异常宽广( 其密度、温度以及磁场强度都可 以跨越十几个数量级) ；等离子体的形态和性质受外加电磁场的强烈影响，并存在 极其丰富的集体运动模式( 如各种静电波、漂移波、电磁波以及非线性的相干结 构和湍动) ；此外等离子体对边界条件还十分敏感。所以，等离子体性质的研究强 烈地依赖于具体的研究对射“j 。 2 2 1 等离子体的基本特性 电中性 等离子体由电子、离子和中性粒子三种成份所组成。其中电子和离子的电荷 总数基本相等，因而作为整体是电中性的。然而，一般情况下电子和离子的浓度 并不一定严格相等，因为等离子体不仅可以包含带单个电荷的离子，也可以包含 带多个电荷的离子。如果以带单个电荷的离子浓度为1 1 1 ，带两个电荷的离子浓度 为n 2 等等，那么，电子浓度n c 就是n l + 2 n 2 + 3 n 3 + 。不过，这里我们主要讨论 电子浓度和离子浓度相等的等离子体。氢等离子体就是这种情况。用l l e 和n i 分 别代表电子和离子浓度，那么电中性条件可以表示为n n i 。等离子体对于电中性 条件的破坏是非常敏感的。如果等离子体内部一旦出现电荷分离，立即就会产生 1 0 重庆大学硕士学位论文2 等离子体的基本理论 巨大的电场，促使电中性的恢复。从下面这个简单例子中我们可以看到，等离子 体中即使是很轻微的电荷分离，即电中性稍有偏离，所产生的电场也是十分巨大 的。在等离子体中，考虑一个半径为l 厘米的球体，其中等离子体密度为 n 声n i = 1 0 1 厘米。假定由于某种扰动使得百分之一的电子移n d , 球外边的区域 中，那么小球内离子所带正电荷就多于电子电荷。这些过剩的正电荷就有电位分 布。经过计算，在离球心l 厘米处与球心之间的电位差将高达6 4 万伏特。等离子 体内相隔1 厘米的距离内要建立如此巨大的电位差，这是不可思议的，也根本不 可能。所以等离子体中正负电荷必须处处相等，不能偏离。当然，这儿所说的“处 处相等”是相对的，不是绝对的。因为带电粒子的热运动总会给电中性带来某些轻 微的影响。但是只要由此产生的电荷过剩引起的电场非常微弱，以至对于等离子 体中绝大部分粒子不发生影响，这时我们仍然认为等离子体是满足电中性条件的。 那么究竟怎样才能定量地予以衡量呢? 德拜长度就是为此而引入的物理量。 德拜长度 假如我们在等离子体中引入两个相隔一定距离的导体球，并用电池将它们连 接起来。显然，与电池正极相接的导体球带正电，另一球带负电。在等离子体中， 这两个球附近的区域，电中性明显地受到了破坏。由于静电力的作用，带电球将 等离子体中的异号电荷吸引到自己周围，因而带正电的球很快被电子所包围，带 负电的球被离子所包围。导体球周围所吸引的异号电荷总数应该跟小球本身所带 电荷总数相等，把金属球屏蔽起来，也就是说带电金属球的存在对于球体以外的 等离子体并不发生影响，但实际上带电粒子总是处于不停的热运动状态下，金属 球周围这一层异号电荷外侧，部分动能大的带电粒子会克服静电引力而逃脱掉。 所以两种符号电荷数目并不严格相等，屏蔽是不完全的，因而带电金属球在等离 子体中具有一定的电位分布。 这就相当于等离子体中由于金属球的引入造成了电荷分离，导致电中性的破 坏。为了确定电中性的破坏程度，我们首先要计算出带电金属球在等离子体中的 电位分布( 金属球的半径充分小，可近似看作点电荷) ： 矿：旦p 告 ( 2 1 ) 4 z e 0 7 式中q 为金属球带电量，为真空介电常数，为离金属球的距离。而对于孤 立点电荷掣的电位分布v = 兰一，两者相比显然等离子体中的电位分布随距离 4 z 笤o r 下降得快( 图2 1 ) 。在， 厶的区域内带电小金属球产生的电位已经很小，它对等 离子体的影响可以忽略。所以我们把如称为德拜长度，等于，f 5 0 k 下l e 一，式中k 为玻 重庆大学硕士学位论文2 等离子体的基本理论 耳兹曼常数1 3 8 0 6 2 2 1 0 。焦耳k ，e 为电子电荷1 6 0 2 1 9 1 7 x 1 0 1 9 库仑， 岛= 8 8 5 4 3 4 x 1 0 “法拉米。由此得到德拜长度的简便表达式：如= 6 9 亍7 二厘米， r 为电子温度，以为电子密度。如是德拜在研究强电解液时推导出来的一个特征 参数。1 9 2 9 年，等离子体物理学的先驱者 朗谬尔首先将厶引用到等离子体物理中。 中( r ) 他指出：要使电离气体成为一个宏观电中性 的等离子体，那么电离气体所在的系统线度 必须远远大于德拜长度厶。因为等离子 体中局部电荷的集中，或者由外部引入的带 电体所产生的静电作用，被周围的异号电荷 所屏蔽，因而这个静电作用的范围基本上不 超过以德拜长度为半径的球体范围，球体以 外的等离子体都不受其影响m “。图2 1 金属球在等离子体中的电位分布 f i g 2 1p o t e n t i a ld i s l r i b u t i o no f m e t a l b a l li n # a s m a 2 2 2 等离子体振荡频率 从上面我们知道电中性是等离子体的最基本特+ + 7 4 - 二o 二。 性。德拜长度定量地描述了等离子体由于某种原因+ + _ + 二l ，= 匕二一一 引起的局部电荷分离，使电中性受到破坏的程度。 + + 一+ _ 十一f 。一f 。一一 也可以把以看作电离气体是否是等离子体的一个衡+ + _ + 、一4 - 一+ 1 _ 。一一 量尺度。下面讨论等离子体的振荡现象。+ + + + + + 斗l 图2 2 表示了厚度为三的等离子体中，发生了轻卜叶。叫 微的电荷分离形成电场。电子相对于离子 图2 2 等离子体振荡示意图 发生了位移6 ，当然6 工。由于电子和f i g 2 2 p l a s m a v i b r a t i o ns c h e m a t i cd r a w i n g 离子间的静电吸引力，使得等离子体具有 强烈的恢复宏观电中性的趋势。因为离子的质量远大于电子的质量，我们可以近 似认为离子不动。当电子相对于离子往回运动时，在电场作用下不断加速。由于 惯性的原因它会越过平衡位置，又造成相反方向的电荷分离，从而又产生相反方 向的电场，使电子再次向平衡位置运动。由于惯性，再次越过平衡位置。这个过 程不断重复就形成了等离子体内部电子的集体振荡。现在我们讨论它的振荡频率。 电荷局部分离引起电场e = 竺占，因而电子在该电场中所受到的力 岛 重庆大学硕士学位论文2 等离子体的基本理论 ，：一业：一h e a ，负号表示作用力方向- q 位移6 方向相反。这里我们 占o 看到了这个作用力的大小跟位移占成正比，而方向总是指向平衡位 置。这种力我们称它为恢复力。在这种恢复力作用下物体将作简谐振 动。以弹簧振子为例，恢复力f = 一k x ，位移x = a c o s m t ，其中a 为 厅 为振动频率，c o = ，竺，式中振幅，m 为质量，足为弹簧倔强 y 栅 系数。两者比较，不难看出，等离子体在恢复力f 的作用下 也将出现类似的运动形式，称它为等离子体振荡，也叫做朗 谬尔振荡。只要将肌换成电子质量m e ，将七换成竺，可得到 广下 等离子体振荡频率：，兰生，将6 0 、p 和m e ( = 9 1 1 1 0 4 1 千克) y 5 0 所。 代入，便得到常用的等离子体振荡频率公式厂= 兰= 9 0 0 0 x n 7 秒。可见，密度越大，等离子体振荡频率越高。 到此为止，我们引入了等离子体的两个重要参数：德拜长度厶和振荡频率 厂。它们跟等离子体的温度r 和密度捍有关。 2 2 3 等离子体中粒子间的相互作用 等离子体中的电子、离子以及中性粒子之间发生着各种类型的相互作用。由 于静电作用力的存在，使得问题比理想气体中粒子间的相互作用要复杂得多。总 的来说，等离子体粒子之间的相互作用可分为两大类，一类是弹性碰撞，另一类 是非弹性碰撞。 弹性碰撞 碰撞过程中粒子的总动能保持不变，碰撞粒子的内能不发生变化，也没有新 的粒子或光子产生，只改变粒子的速度，这种类型的碰撞称为弹性碰撞。 为了使问题简化，只考虑对心碰撞并把参加碰撞的粒子设想为小钢球。把其 中的一个粒子当作静止的靶粒子，另一个为入射粒子，以速度v 1 朝着靶粒子的中 心前进。假定入射粒子质量为m ，靶粒子质量为埘：，碰撞后的速度分别为嵋和呓， 那么根据动量守恒定律和能量守恒定律可以得到如下方程： f m l v l = m i “+ 小2 呓 1 丢州。v l ：丢肌。“：+ 寻珊：v 三z 2 2 从这两个方程中可求出碰撞后的速度分别为： 重庆大学硕士学位论文2 等离子体的基本理论 显然，原来静止的靶粒子通过碰撞后获得的动能为： 4 | 堕l 扣2 2 祷如2 ( 2 4 ) 这就是弹性碰撞过程中所传递的能量。当入射粒子的质量远小于靶粒子的质量， 即m 。 二一( 千欧) 。 式中，【，为最高的充电电压( 千伏) l 为变压器或整流器的最大容许电流( 安) 调压变压器 调压变压器的选择应满足如下要求： 调压变压器的输出电压必须与试验变压器原边电压相配合； 从尽可能小的数值到全电压都能平滑地调节； 应不使电压波形发生畸变。 3 2 3 放电回路的分析 放电回路的构成 在冲击大电流装置中，首先由充电回路把电网的电能，通过调压变压器、高 压变压器、高压硅堆、限流电阻，送到电容器储藏起来。放电回路的作用，就是 在很短的时间之内，把电容器所储藏的能量，释放到负载上去。由于放电时间很 短，施加在负载上的功率很大。 放电回路由电容器、隔离间隙、传输线和负载f 构成。电容器是储藏能量的 重庆大学硕士学位论文3 等离子体发生装置及其参数研究 元件；隔离间隙起空气开关的作用；传输线是连接各元件的连接线；负载则是被 加工的物体，如水的处理，金属件的成型等等。 图3 5 是放电回路的等效电路图。图中c 是电容器组的总电容。是放电回路 的总电感，它包括电容器本身的电感、传输线的电感、隔离间隙的电感和负载的 电感等。r 是放电回路的总电阻，它包括传输线的电阻、间隙的电阻和负载的电 阻等。 c 图3 5 放电回路的等效电路图 f i g 3 5e q u i v a l e n tc i r c u i to f d i s c h a r g ec i r c u i t 在以下的分析中将会看到，为了增加电容器组的储能，应加大电容器的电容 c ；为了得到较大的冲击电流和电流上升陡度，应尽量减小放电回路的总电感。 例如，每台m y 一5 0 _ - 3 型脉冲电容器，它在5 0 k v 下的储能为3 7 5 k j ，如果要求 一个电容器组储能几百千焦耳，则要上百台的这种电容器并串联。在现代的冲击 大电流装置中，往往都是采用并联的隔离间隙。在较大的装置中，各元件之间采 用低电感的同轴电缆连接；在较小的装置中也有采用铝板连接的。 放电回路的分析 电容器c 充电的过程，就是把电网的能量储藏在电容器中的过程。电容器如 果充电到某个电压砜，那么在电容器的两个极板之间就积累了电荷，建立了电场， 电场的能量为： 形= 1 ，c u 。2 z 当电容器电压u 0 足够高时，间隙g 被击穿导通，电容器的能量在反应器内瞬间 释放出来。放电时的等效电路图如图3 5 所示，这是一个典型的r 一三一c 电路。为 了求出冲击电流i ，列出回路方程： 重庆大学硕士学位论文3 等离子体发生装置及其参数研究 三堕+ r i + 一1p d t ：o( 3 6 ) d tc 、 将上式两端微分，得： 工萼+ 且堕+ 三f ：o( 3 7 ) d t 2d tc 、 这是一个二阶常系数线性其次微分方程，它的特征方程为： l a 2 + r a + 去= 0 ( 3 8 ) 其特征根为： 吼：一尝j 要一鬲1 ( 3 9 ) q ，2 _ 一瓦1 万一历 【3 。9 令 = 矗，y 2 - - - - 1 三c ( 3 1 0 ) 当回路电阻较小时，有 筹 去；删抬 此时，特征根为一对共轭复数： 口1 2 = - p , p 2 - y 2 = - f l j c o( 3 1 2 ) 式中， = 曲2 一_ b 2 微分方程( 3 7 )