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等离子体水处理技术 种珊2010 4 9 等离子体简介等离子体氧化机理水处理等离子体类型研究现状发展趋势 主要内容 等离子体是物质第四态 是由大量的自由电子和离子组成 且在整体上表现为电中性的电离气体 00C 1000C 100000C 什么是等离子体 宇宙中90 物质处于等离子体态 星云 极光 太阳表面 闪电 美国宇航局提供的照片 南极上空的椭圆形极光 人造等离子体 等离子体科学在能源 材料 信息 环保 国防 微电子 半导体 航空 航天 冶金 生物医学 造纸 化工 纺织 通讯等领域有广泛的应用 日常生活中 日光灯 电弧 等离子体显示屏 臭氧发生器 工业应用 等离子体刻蚀 镀膜 表面改性 喷涂 烧结 冶炼 加热 有害物处理 高技术应用 托卡马克 惯性约束聚变 氢弹 高功率微波器件 离子源 强流束 飞行器鞘套与尾迹 人造等离子体 霓虹灯管 等离子电弧焊接 等离子体电弧熔炼 人造等离子体 等离子体增强化学气相沉积制备的用于太阳能电池的非晶硅薄膜 核聚变装置中的等离子体 超大规模集成电路 等离子体分类 等离子体 高温等离子体如 聚变 太阳核心 电子温度大于10000 低温等离子体 电子温度小于10000 冷等离子体如 极光 日光灯 热等离子体如 电弧 碘钨灯 实验室常用的有热等离子体 由电弧 电火花或火焰产生 冷等离子体 由辉光放电产生 和混合等离子体 由电晕放电或臭氧发生器产生 等离子体氧化机理 高能电子作用臭氧氧化作用紫外光分解作用 等离子体氧化机理 低温等离子体废水处理技术是一种兼具高能电子辐射 臭氧氧化 紫外光分解等三种作用于一体的废水处理技术 三种方法协同作用时 处理效果优于各方法单独作用 等离子体化学反应过程 高能电子作用 首先是液下水分子发生电离与激发 在很短的时间内生成离子 激发分子与次级电子 再生成反应能力极强的物质 H20 OH eaq H H2O2 H3O H2并发生下列反应 生成游离氧 臭氧和 OH自由基 O2 2O 2 OHO2 M O O3 M e e H2O 臭氧氧化作用 臭氧在水中时发生氧化反应 其氧化途径可由臭氧直接氧化某些有机物 也可由其分解产生的中间产物 OH自由基氧化有机物 OH容易攻击高电子云密度的有机分子部位 加在有机分子碳双键上 脱去有机分子上的一个氢 形成R 自由基 R 自由基又被水中溶解氧进一步氧化成ROO 自由基 ROO 自由基再发生一系列的反应 使水中污染物氧化和分解 最终降解产物为二氧化碳和水 RHR ROO CO2 H2O OH O2 紫外光分解作用 紫外光作用原理是有毒有害物的分子吸收光子后进入激发态 激发态分子返回基态时吸收的能量使其分子键断裂 生成相应的游离基或离子 这些游离基或离子易与溶解氧或水分子反应生成新的物质而被除去 紫外光和臭氧联合使用时 臭氧在紫外光的照射下与H2O反应生成了 OH 无论是在氧化能力还是在氧化速度上 都远远超过紫外光分解或臭氧单独使用所达到的效果 水处理等离子类型 电晕放电辉光放电介质阻挡放电滑动弧放电射频微波放电 电晕放电 将电压加载在曲率半径很小的电极上 当针状电极上的电位升高到一定程度时 针尖附近的强电场就使其周围的空气产生电离 从而产生的局部放电甚至晕光的现象称为电晕放电 高压脉冲放电 高压脉冲放电是研究最多的电晕放电形式 由高电压脉冲电源产生的极强电流在水中以极短的时间 纳秒级 向放电通道输入 形成电子雪崩 巨大的脉冲电流使通道内形成高能密度 由此引起局部高温 在放电过程中 电子与中性气体分子和原子进行非弹性碰撞 使这些中性分子的激发 分解和电离更为强烈 产生高氧化活性物质 OH H2O2等活性粒子 紫外辐射 高能电子轰击等 达到去除有机物的目的 高压脉冲等离子体水处理设备 南宁超等环保公司设计的等离子体水处理的反应装置图 高压脉冲电源用于产生等离子体 反应器则利用产生的活性物质以及伴随产生的热 光 波等效应来净化水质 辉光放电 利用外加电场作用 在特定的电化学反应器内 当两电极间的电压足够高时 则产生明暗不一的区域 自由电子在电场作用下加速 获得一定能量的电子与管内气体分子碰撞 使后者电离而产生次级电子 电子再被电场加速又碰撞其它分子 如此下去就产生连锁反应 最后达到维持放电正常进行 优点 对电源要求不高 普通的直流高压电源即可 可在高电导率废水下运行 能量效率较高和没有电磁辐射 缺点 电极较贵 电源以及反应器结构的优化设计需要进一步研制 介质阻挡放电 有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电 介质阻挡放电中使用的绝缘层 阻挡介质 的典型材料主要包括玻璃 石英 陶瓷 薄搪瓷或聚合物 优点 电极不易腐蚀 电极不直接与放电气体发生接触 具有大规模工业应用的可能性 具有电子密度高和在常压下运行的特点 可在大气压强下工作 而且可以防止在放电空间形成局部火花和弧光放电 放电表现为很均匀 漫散和稳定 缺点 介质阻挡放电较适合于降解低浓度的有机废水 但能耗较高 需要研究有较高峰值电压 尽量短的电压上升沿 以及更大的频率电源 反应器的电极结构还需进一步优化 滑动弧放电 滑动弧放电产生一种周期性摆动的大气压下非平衡等离子体 与辉光和电晕放电相比 滑动弧放电能够提供更高的能量 产生更多种类的活性粒子 石英绝缘罩主要起着封闭反应区和绝缘的作用 当接通两电极间电压 两电极间最窄处通入的气体被击穿 形成电弧 在从喷嘴喷出的高速气流推动下 电弧向下移动 形成滑动电弧柱 这种反应器结构简单 成本低廉 因此应用最广 滑动弧放电 滑动弧放电的主要特点是 兼有热等离子体和非热等离子体的特性 滑动弧放电装置和电源结构简单 价格低廉 操作和维护费用比较低 滑动弧放电过程中电能直接进入反应区域 产生一个充满活性粒子的非平衡等离子体反应环境 超过80 的电能直接被化学反应吸收 化学反应选择性好 进气不需要预处理 微波放电 微波放电是电磁控制管产生的微波传入放电室 当放电室内的磁场强度使得电子的回旋频率和输入的微波频率相等时 微波使电子运动加速 促发等离子体 微波放电的电离度高 气体具有更高的活化程度 因而能在更低温度下获得和维持具有更高能量的等离子体 更适合对温度敏感材料如有机薄膜的处理 但设备造价较高 国内外现在已有许多利用微波放电的例子 如大连化学物理研究所曾用微波放电来脱除一氧化氮 高压脉冲放电等离子体 滑动弧放电等离子体 介质阻挡放电等离子体 微波放电等离子体 高压脉冲放电等离子体 研究现状 高压脉冲放电等离子体 用等离子体技术处理废水的实验研究重庆大学杨胜凡2007 高压脉冲放电等离子体水处理装置 实验研究 高压脉冲等离子装置参数 电压值U 70kV 辅助间隙d 50mm 放电主间隙D 40mm 放电频率f 1 5 反应器中安装5对电极 实验对象 焦化废水和垃圾渗滤液实验步骤 将废水装入反应器中 经空心正电极送入压缩空气进行放电 总的持续时间为30分钟 当放电进行到20分钟时进行一次采样 然后放电结束时再次进行采样 最后将处理后水样的各种指标与原水的指标进行对比从而得出一些结论 实验结论 分析表明 处理20分钟与处理30分钟水样的各项指标变化不大 处理20分钟后各项指标的去除率 COD降低了62 2 BOD降低了65 2 PH值基本保持不变 焦化废水 实验结论 分析表明 处理20分钟与处理30分钟水样的各项指标变化不大 处理20分钟后各项指标的去除率 COD降低了52 4 BOD降低了55 3 PH值基本保持不变 垃圾渗滤液 滑动弧等离子体 海宁某印染废水厂 废水中含有活性染料 酸性染料及直接染料 以及浆料 助剂及无机盐类 废水在室温下放置半月 水质达到稳定 滑动弧放电等离子体 生化法降解有机废水的研究浙江大学刘亚纳2008 滑动弧等离子一生化法结合的联合降解的工艺流程图 实验结论 未经滑动弧处理的实际印染废水生化降解效果 经滑动弧处理5min的实际印染废水生化降解效果 经滑动弧处理10min的实际印染废水生化降解效果 滑动弧等离子体 生化法工艺优势及不足 优势 工艺投资成本和电极更换成本较低 占地面积小 工艺简单易于控制 高效 快速 降低废水的生物毒性 同时提高废水的可生化降解性 存在的问题 等离子体工艺耗电量大 处理成本高 造成整个联合工艺的运行成本较高 等离子高级氧化 AOPs 污水预处理机 南宁超等环保有限公司提供 生活污水 市政 大型酒店宾馆 休闲旅游度假村的生活污水处理及中水回用 高浓度难生物降解工业废水 如印染污水 电镀污水 造纸废水 化工污水 冶金厂污水 石化污水 酒精制糖污水 淀粉厂污水 填埋场垃圾渗滤液等 医院污水消毒深度处理 代替二级生化处理 代替二氧化氯 臭氧消毒 河湖池塘景观水净化 河流 湖泊 池塘富营养化水体除藻与提质治理 循环水