等离子体技术在印染废水处理中的应用 8页

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n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，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(Dielectricbarrierdis一charge)o2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.⑴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n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0.4mmol/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M1I2n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3.5ram,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.YoungSunMok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n60min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.[2]Chumgking—Thornet^a1.DegradationofazodyesbyenvironmentalMicro??organismsandbelminthesEnvi??ron.Toxiea1.Chen,1993,13(11):2121—2132.⑶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・pliCations[J].Electrostat,199&44:17一39.[5]AklyamaH.Streamerdischargesinliquidsandtheirapplieations[J].IEEETmnsEleetrInsul,2000,7[5]:646—653.[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.Oxidativedecolorationofdyesbypulseddischargeplasmainwater.JonumalofElectro-statics,58(2003):135—145.[5]SidneyJ,Clements.Preliminaryinvestigationofpre一breakdownphenomenaandche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