等离子体技术用于污水深度处理

1、汪健 MG1425054 等离子体技术用于污水深度处理 主要内容 参考文献参考文献 未来展望未来展望 处理应用处理应用 技术介绍技术介绍 技术介绍 近年来，等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境 空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新 的技术和工艺。等离子体是物质存在的第四种状态，它由 电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、 正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分 子以及光子。事实上等离子体就是由上述大量正负带电粒 子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气 体，也就是高度电离的气体。无论是部分电离还是完全电 离，其中的负电荷总数等于正电荷总数

2、，所以叫等离子体 （徐学基，1996）。 等离子体类型 1.辉光放电（Glow Discharge）：辉光放电属于低气压放电，工作压力一般都 低于10 mbar，每种气体都有其典型的辉光放电颜色，荧光灯的发光即为辉光放电。因其受低气压 的限制，工业应用难于连续化生产且应用成本高昂，目前应用范围仅局限于实验室、灯光照明产 品和半导体工业等。 2.电晕放电（Corona Discharge） ：在曲率半径很大的尖端电极附近，由 于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。 3.介质阻挡放电（DBD）：有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，又 称介质阻挡电晕放电

3、或无声放电。由于DBD在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如 OH、O、NO等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形 成稳定的原子或分子，在DBD电极结构中，采用管线式的电极结构还可制成O3发生器，因而，可利 用这些自由基的特性来处理有机污染物，在环保方面也有很重要价值，现在人们已越来越重视对 DBD的研究与应用。 4.滑动电弧放电（Glide Arc Discharge）：电源在两电极上施加高压 引起电极间流动的气体在电极最窄部分电击穿，一旦击穿发生电源就以中等电压提供足以产生强 力电弧的大电流，电弧在电极的半椭圆形表面上向右膨胀，不断伸长直到不能

4、维持为止。电弧熄 灭后重新起弧，周而复始，其视觉观看滑动电弧放电等离子体就像火焰一般。滑动电弧放电等离 子体通常应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂解。 等离子体类型 Pulsed discharge plasma reactors a:液相放电反应器 b:气相放电反应器 c:气液混相放电反应器 d:线板放电反应器 e:静电雾化环网反应器 f:气溶胶反应器 DC pulseless corona discharge reactors a:浸没式毛细管点电极反 应器 b:多线板反应器 c:线柱湿壁反应器 DBD reactors a:多管流电极反应器 b:棒柱反应器 c:同心柱反应器 d:转鼓

5、反应器 Glow discharge reactors a:接触辉光放电反应器 b:两室接触辉光放电反应器 c:浸没式辉光放电反应器 d:直流隔膜辉光放电反应器 低温等离子体技术处理污染物原理 在外加电场的作用下，放电产生的大量高能电子轰 击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引 发了一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子 污染物转变为简单小分子物质，或使有毒有害物质 转变成无毒无害或低毒低害的物质，从而使污染物 得以降解去除。 高能电子及自由基的作用 高压放电过程中形成大量高能电子，在有水分子存在时， 高能电子在极短时间内（10-7s）与水反应形成大量自由基 和O3，在高压放电等离子体

6、中自由基种类很多，主要有羟 基自由基OH、水合电子eaq-、O、HO2等，它们都具有强 的氧化性（Sunetal.，1997）。 臭氧的作用 臭氧具有很强的水溶性，其在水中的溶解度约为氧 气的13倍，O3溶于水后发生一系列反应生成OH， 氧化有机物（Lukeet al.，2005）。 双氧水和紫外光的作用 双氧水是一种强氧化剂，H2O2在UV照射下或与Fe2+联合作 用均可产生氧化能力极强的OH。在放电过程中，由于高能 电子的轰击作用，可以在水溶液中生成H2O2，并在UV的作 用下进一步分解为OH。UV直接照射水体产生OH的的效率是 非常低的，但是水中有溶解性O3存在时，即会有较高的OH 产生

7、率（unkaet al.，1999）。 等离子体协同催化加处理污水 Carbon materials：活性炭材料具有特殊的吸附 和催化特性，应用于等离子体协同处理污水中，其 过程如下。 等离子体协同催化加处理污水 Metal oxide：许多金属氧化物具有一定的催化功 能，并能在特定条件下产生激发态，促进反应过程 的进行；纳米二氧化钛作为一种具有普遍应用的光 催化剂，可在等离子体产生的UV激发下产生活性物 质，促进等离子体处理污水的能力。 等离子体协同催化加处理污水 Metal ions:金属离子如亚铁离子Fe2+可在羟基自 由基OH的存在下形成芬顿效应，促进反应过程的 进行；而等离子体本身就

8、会激发产生大量的羟基自 由基，亚铁离子在这种条件下加速反应过程。 未来展望 1.等离子体处理污水的基本原理研究：目前等离子 体处理污水主要是利用产生的活性自由基、UV以及臭氧等， 至于反应机理尚不得知，需加强进一步的基本原理研究。 2.大尺寸等离子体反应器的设计：目前等离子体反应 器还停留在小规模小尺寸应用上，这阻碍了等离子体的应 用发展。 3.与其他更经济的技术联用：目前等离子体高能耗也 是一大问题，与生物法等相比缺乏经济性，可考虑与其他 技术进行联合应用。 参考文献 1 M. Capocelli, E. Joyce, A. Lancia, T.J. Mason, D. Musmarra,

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