等离子体技术在印染废水处理中的应用

1、等离子体技术在印染废水处理中的应用江四化工2011年第3期等离子体技术在印染废水处理屮的应用 曹志荣杨长河丁垄张彬峰曾瑶 （南昌大学建筑工程学院，南昌330031） 摘要:在总结国内外文献的基础上，对等离子体技术及其在废水处理中的应用进行 了介绍和综述.主要介绍了高压脉冲放电法，辉光放电法，滑动弧放电法及介质阻 挡放电法的基本特性以及该技术处理废水的研究和应用进展，并探讨了该技术现存的主 要问题，指岀了今后发展的前景.关键词:等离子体技术高压脉冲放电法辉光放电法滑动弧放电法介质阻挡 放电法印染废水前言 印染废水主要指印染厂退浆，煮练，漂白，丝光，染 色，印花，整理等加工工序中产生的混合废水.该

2、类废 水的特点是水量变化大，色度深,ph值变化大,有机污 染物含量高，水质复杂多变.近年來，随着化学纤织物 的发展及仿真丝的兴起,使得印染废水中包含大量化 工助剂及人造丝皂化物等牛物难降解有机物,降低了 废水的可生化性，增加了处理难度.针对印染废水这 种特点，传统的处理工艺已难以适应该类废水处理. 我国是纺织印染行业大国，据资料统计:我国每年 约有70亿吨印染废水排放j.这些废水如果不经处 理或处理未达标排放的话,不仅育接危害人们的身体 健康，而且严重破坏水体，土壤及生态，将造成不可想 象的后果.从20世纪中期起，环保工作者进行了大量的研究，形成了一些典型的处理方法，主要包括膜分离 法，生物强

3、化法，活性炭吸附法及高级氧化法等j. 在这些处理技术中,高级氧化技术一自由基反应 成为研究热点其作用机理是通过产牛?0h自由基， 诱发一系列a由基链反应，攻击废水中各种污染物，最 终将污染物降解为二氧化碳和水等离子体高级氧化 技术在放电时产生大量的?oh自由基，具备大规模 链式反应能力，并且有适用性广,有机物去除率高和无 二次污染等特点.1等离子体概述等离子体是除气态,液态及固态之外的第四种物 质存在形式，是由激发态原子，正负离子，电子，自由基 及中性粒子组成的导电流体，呈电中性一般等离子 体可分为平衡等离子体和非平衡等离子体两大类当 te(电子温度)二ti(离子温度)时，称为平衡等离子 体，

4、这类等离子体不仅电子温度高，重粒子温度也高， 因此也可称为热等离子体.当te(电子温度)ti (离子温度)时,称为非平衡等离子体，其电子温度高达 1ok以上,而离子和原子之类的重粒子温度却可低到 300-500k,因此按其重粒子温度也可称为低温等离子 体由于低温等离子体较热等离子体更易在常温常 压下产生,因而具有比较广泛的工业应用前景如 目前研究比较热门的几种低温等离子体处理技术:高 压脉冲放电法(hi曲一 volmgepulsedischarge),辉光放 电法(glowdischarge),滑动弧放电法(glidingarcdis? charge)及介质阻挡放电法(dielectricba

5、rrierdis一 charge)o 2高压脉冲放电法高压脉冲放电等离子体废水处理技术主要是指放 电过程中产生的高氧化活性物质（如?oh自由基及 oho等）的氧化作用，紫外光辐射，高能电子的轰击 作用等，达到将有机污染物质降解的目的.放电反应器是高压脉冲放电方法中的核心部分， 它的结构好坏直接决定了该方法对水处理的效果理 想的放电反应器不仅要易于发生放电反应产生低温等 离子体，而且能使其和水充分接触，达到充分去除水屮 污染物的目的.目前常用的放电反应器形式主要有如 下两种.针一板式放电反应器这种结构的反应器由两块相互平行的相距一定距 离的极板构成上板布有细针状高压屯极，下面板（待 处理液面）接

6、地.施加脉冲高压时，两电极之间的气 体因放电作用而导通利用放电作用产牛的强氧化自 由基，紫外光,高能电子的轰击作用，使废水得到处理. 这种放电反应器因为两电极间的电场不均匀而易于发 生放电，缺点是待处理废水的厚度有一定的限制，太厚 容易使下层废水得不到处理，影响处理效果.（2）点一板式放电反应器目前的研究中，这种形式的反应器应用得比较广 泛该类反应器结构灵活，可做成方形，圆形等各种型 式反应器内也可以通人空气，氧气或者其他的气体. 由于这种结构的反应器高压电极直接放在水中，随着 2011年9月等离子体技术在卬染废水处理中的应用47 放电的发生，产生的活性自由基，紫外光线等可直接与 废液接触，利

7、于对废水的处理往反应器中通入气体，方面不仅有利于放电的发生，而且可以促使产生更 多的强氧化性自由基，如?oh自由基等，另一方面曝 气可以使水发生机械搅拌作用,使水充分与产生的活 性自由基接触，利于传质作用的发生.anto等【7采用单针一板式反应器系统处理芝加哥 天蓝,罗丹明b和甲基橙三种染料的模拟废水,得到了 很好的脱色效果.sidney首次采用单针一板式反 应器降解水中的蔥酿染料，脱色率达到80%以上，当向 反应器屮通入n2和0:时,发现有0,生成.张丽等j 采用脉冲放电等离子体技术处理偶氮染料废水，实验 结果表明,脉冲放电对甲基橙和刚果红染料脱色效果 显着,提高峰值电压，脉冲频率及加入h0

8、均有利于 染料的脱色，增加电导率将不利于染料的去除李胜 利等【1伽采用高压脉冲放电等离子体处理印染废水，结 果表明在溶液初始ph值小于9.04,处理吋间为30s 时，水样上清液cod降低了 42.6%.采用色质联用法 检测处理后染料溶液的中间产物,发现有有机酸生成， 说明该方法能有效破坏染料分子中的苯环或荼环结 构.3辉光放电法辉光放电水处理技术就是利用外加电场作用，在特定的电化学反应器内，当两极间的电压足够高时，阳 极针状电极与周围电解液之间产生辉光,紫外线，冲击 波，使周围溶剂迅速汽化而形成稳定的蒸汽鞘,持续产 生如h?,?oh,h02等高活性粒子，这些高活性粒 子在普通的电化学电解反应中

9、不易得到，但在辉光放 电中可源源不断地产生它们很容易被输送到电极附 近的溶液中，可使废水中的有机物彻底降解为co2,h: o和简单无机盐，特别适用于有机废水的消毒和净 化.陆泉芳等【1开展辉光放电等离子体技术降解伊红 b模拟染料废水的研究，结果表明，伊红b被降解为 co,h:o和简单无机盐;降解homin后，脫色率达到 95%;反应后溶液ph降低，说明反应过程中有竣酸类 物质牛成;并得到了动力学常数k=0.0206rain，降解 过程符合一级反应动力学特征.高锦章等-采用辉光 放电等离子体技术对结晶紫进行了降解脱色处理，实 验发现，提高屯解质浓度和増加电压均可提高结晶紫 的脱色效果,当加入0.

10、4mmol/lfe2,5min时结晶紫的 脱色率由原来的13.64%增加到91.36%,在最佳实验 条件下,40rain内的脱色率达到93%,降解率为74%. 莫玉琴等利用辉光放电等离子体技术降解橙黄g 偶氮染料废水，实验结果表明，无催化剂时，橙黄g降 解60rain后，降解率达到71.68%;催化剂fe2和m1i2 存在时降解率分别达到92.48%和89.69%,cod去除 率分别为95.85%和63.44%;4滑动弧放电法滑动弧放电是一种可在常压下产生非平衡等离子 体的新型低温等离子体技术，它可以利用大气流，形成 等离子体流，能够转化为能量更高的等离子体（转化 率可达75% 80%）产生更

11、多的活性粒子;此外电源 和反应器装置较简单，尺寸较小，操作容易，且价格低 廉,因而在水处理领域屮具有一定的优势”.李晓东等-开展了气液滑动弧放电非平衡等离子 体降解高浓度苯酚模拟废水的研究，研究表明，采用0 作为载气能提高苯酚的降解效果，实验最终toc值为 44mg/l;增大气液混合比,相应的加强了废水的雾化效 果,增大水气接触表面积，进而提高了苯酚的降解效 果.刘亚纳等11 .开展气液两相滑动弧等离子体降解酸 性橙ii的研究，探讨了酸性橙ii的降解动力学及降解 机理,实验结果表明，在电压为10kv,载气为0,气体 流速为0.4m/h,废水流量为20ml/min,电极间最窄处 距离为3.5ra

12、m,溶液浓度在300mg/l以下吋，滑动弧等 离子体对酸性橙ii的降解符合一级动力学规律;酸性 橙ii的主要降解产物有乙酸,乙二酸，丙二酸等，并推 测岀酸性橙i【的降解机理.5介质阻挡放电法介质阻挡放电也叫无声放电，介质阻挡放电是用 频率为50hz到mhz级的交流高电压来启动,在放电 空间插入绝缘介质的一种气体放电.也是产生大 气压非平衡态等离子体的一种可靠，经济的方法. 杨长河等.御通过介质阻挡放电对模拟i奎咻废水进 行实验研究，实验结果表明,该方法可使水中嗤咻得到 有效降解，外加电压及电源频率越高，降解效果越好； 隆咻降解中间产物主要有5 一径基卩奎咻,5,8 一二径基 唾咻等.young

13、sunmok等【2在水中将废水作为一个 电极，利用介质阻挡放电产生的高活性物质及紫外光 直接作用于废水，增大了等离子体与废水的接触面积, 提高了等离子体效率，而且废水对电极还起到了冷却 作用.郑光明等采用平行板双介质阻挡放电反应器 结构对水相中氯酚的脱氯机理进行研究，实验结果表 明,该方法可使水相屮的4 一氯酚得到有效降解，增加 外部电场强度可提高脫氯率;脫氯后的产物主要为较 易牛物降解的酚类和有机酸类.刘强等设计了一种 介质阻挡放电同时处理废液和废气的反应器,结果表 明,甲苯在单独处理和同染料废水同时处理时都可达 到较高的降解效果，两者同时处理时甲苯的降解效率 可达88.6%,并且在甲苯降解

14、效率基本保持不变的情 况下，该反应器可以实现对染料废水的同步降解;对浓 度为50mg?l活性艳蓝处理60min后，降解率可达 95.4%,每小时处理量为35.8mg,该实验通过同时处理 甲苯和染料废水提高了反应器的能量利用效率，但由 江西化工2011年第3期于废气与废液同时处理,可能会产生二次污染问题. 王占华等采用放电极雾化介质阻挡放电装置对靛蓝 二磺酸钠染料溶液进行脱色试验，结果表明，当空气间 隙为30ram,电压为30kv,处理吋间为时,染料溶 液的脱色率可达95%以上;而且当空气间隙为30mm, 电压为25kv,可在较低的能耗下实现较高的脱色率. 6等离子体处理印染废水存在的问题及建议

15、 目前,等离子体技术用于印染废水处理尚处于探 索阶段，还存在以下问题:提高降解效果的针对性不 强,物理化学参数在线检测困难，且尚未确定所需的电 参数;实践应用成本较高;大部分污染物的降解机理尚 无详细的分析j.印染废水的处理是一项长期而艰巨的任务今后 应集中在各种放电方式及相关参数的研究上,寻求最 佳组合，优化工艺参数，以获取尽可能大的空间利用率 及等离子体与有机废水的接触面积;开发高效低耗的 电源设备,设计结构合理且与电源相匹配的高性能反 应器;降低成本和能耗，着眼于产业应用，使其尽早实 现工业化和产业化.参考文献1 李家珍，染$4/染色工业废水处理m.北京:化学 工业岀版社,1997.06

16、.2 chumgkingthorneta 1 .degradationofazodyesby environmentalmicro?organismsandbelminthesenvi? ron.toxiea 1 .chen,1993,13(11):21212132.赵化侨，等离子体化学与工艺m.合肥中国科 学技术大学出版社,1993.|4|yank,huih,cuim,etal.coronainducednon一 thermalplasmas:fundarnentalstudyandlndustrialap plicationsj.electrostat, 199&44:17一39.

17、5 aklyamah.streamerdischargesinliquidsandtheir applieationsj.ieeetmnseleetrinsul,2000,75 :646653.6 吴彦,张若兵，许德玄.利用高压脉冲放电处理废水 的研究进展j环境污染治理技术与设备,2002.7 antot,shunsukei.oxidativedecolorationofdyesby pulseddischargeplasmainwate r.jo umalofelectro- statics,58(2003):135145.8 sidneyj,clements.preliminaryinve

18、stigationofpre一 breakdownphenomenaandchemicalreactionusinga pulsedhish一voltagedischargeinwate 匚 i eeetrans- actiononlndustryapplication, 1987ja 一 23(2):224.9 张丽，孙冰，等脉冲放电等离子体技术处理偶氮 染料废水j大连海事大学,2007,33(2):6770.10 李胜利，李劲，等.脉冲放电对印染废水脱色效果 的实验研究j环境科学,1996,17(1):131611 senguptask,singhop.contactglowdischar

19、gee 一 lectrolysis:astudyofitschemicalyieldsinaqueousin?err一typeelectrolysis j. je1 ectroanalchem., 1994,369:113120.112 |tezukam,1 wasakim.liquid一phasereactionsin. ducedbygaseousplasitiaj.plasmas&ions,1999,1:2326.13 陆泉芳，俞洁.辉光放电等离子体降解模拟染料废 水的研究儿环境科学,2006,26(11):17991803.14 高锦章，马东平，等,辉光放电等离子体处理

20、阳离 子染料结晶紫废水j,应用化学,2007,24(5): 534539.15 莫玉琴，张志霞，等.辉光放电等离子体降解牛物 燃料橙黄gj,温州大学(自然科学版)， 2009;30(5):4045.16 张路路，杜长明，等,滑动弧放电等离子体在废水 处理领域的研究|儿环境工程,2009.17 李晓东，杜长明，等.气液滑动弧等离子体降解高 浓度有机废水的研究j,工程热物理,2006, 27(2):237239.18 刘亚纳严建华，等滑动弧等离子体处理酸性橙ii 废水j,化工,2008,59(1):221227.19 刘华丽，印染废水的牛物处理技术，环境科学与技 术,1996,72(1):4245

21、.20 杨长河，余秋梅，等.介质阻挡放电处理含唾咻废 水实验j 高电压技术,2010,36(9):23162323.21 youngsunmok,jin一ohjo.heon一juleeetal.ap plieatonofdielectricbaitierdisehargereactorimmersed inwasewatertotheoxidativedegradationoforganic contaminantj.plasmachemplasmaprocess, (2007)27:5164.22郑光明侏承驻，等.平行板双介质阻扌肖放电处理水相中氯酚的脱氯机理j.环境科学,2004,24(6):962968.23|刘强，李杰，等新型介质阻挡放电反应器同时处理废气和废液研究j环境科,2009,29(7):14jdo1404.24 王占华，许德玄，等.放电极雾化介质阻挡放电低温等离子体对染料溶液的脱色研究j.环境科学研究,2007,20(6):126130.25 刘红玉，沈诚，等.等离