液面脉冲等离子体发生与激活过硫酸盐研究

发布时间：2020-11-13 12:11

　　 脉冲放电水处理技术利用高压脉冲放电生成的物化效应,可以高效降解水中的难生化有机污染物,具有良好的应用前景。但如何提高该技术的能量效率是其实际应用的关键之一。本文提出在废水中投加过硫酸盐,通过放电等离子体激活过硫酸盐提高污染物降解效率的方法。设计了高压纳秒脉冲电源激励的多针-板液面结构反应器,通过Comsol仿真分析了静电场空间分布与折合电场、电子等的时空分布,优化电极结构,并实验研究了电气参数对放电特性的影响规律,以高效生成液面放电等离子体;以对硝基苯酚为对象,研究了过硫酸盐对液面脉冲放电降解有机物的影响,初步分析了过硫酸盐的激活作用机理。主要结果如下:(1)对液面放电系统进行了静电场和等离子体仿真分析。考察了针尖到地电极路径上的静电场空间分布,优化了电极的针-针间距为10 mm,液体电导率对于放电空间的电场强度没有影响,随着电压升高和气隙间距减小,电场强度明显增强。等离子体传播过程中电子密度和电子能量逐渐增大,平均电子能量在等离子体通道头部达到最大值,约7~9 eV。脉冲电压峰值由14 kV增加到18 kV时,最大电子密度1.65×10~188 m~(-3)增大到8.74×10~200 m~(-3),电子数密度较高的区域也随之扩大。(2)测试了大气压液面脉冲放电的放电模式、光辐射、热及活性物质生成等物化效应。将放电装置等效为9.87 pF的静态电容,随着脉冲电压的增加,放电过程经历电晕模式、弥散模式、火花放电三个阶段,分析了不同放电模式的电压电流波形;分析了氮分子的光谱强度,计算出液面放电等离子体通道中的气体温度在340~394 K左右,当产生火花放电时,光辐射强度与气体温度明显高于弥散与电晕放电模式;放电过程产生臭氧和过氧化氢浓度随着放电强度与放电时间的增加而升高。(3)以对硝基苯酚为目标污染物,研究了过硫酸盐添加量、放电强度、溶液性质对激活过硫酸盐降解对硝基苯酚的效果,分析了等离子体激活过硫酸盐的因素。对硝基苯酚降解率随着过硫酸盐添加量增多先升高后趋于平缓,在过硫酸盐与对硝基苯酚摩尔质量比为80:1时最高;增大脉冲电压和减小气隙间距提升了过硫酸盐激活效果,进而提高对硝基苯酚降解率,且在火花放电模式时效果更为明显,当气隙间距为6 mm、脉冲电压峰值为22 kV时,降解效率和能量效率分别提升19.6%和7 mg/kWh;酸性环境更有利于废水处理和过硫酸盐激活,而碱性环境则不明显。高能电子、热效应可能是激活过硫酸盐的主要原因,过氧化氢和臭氧对于过硫酸盐没有明显激活效果。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 低温等离子体概述
    1.2 放电等离子体水处理原理及装置
        1.2.1 高压脉冲放电水处理技术的基本原理
        1.2.2 放电等离子体水处理装置
    1.3 液面脉冲放电的研究现状
        1.3.1 液面脉冲放电特性研究现状
        1.3.2 液面放电用于水处理应用的研究现状
    1.4 激活过硫酸盐用于水处理的原理及研究现状
    1.5 本文研究意义与研究内容
        1.5.1 研究意义
        1.5.2 研究内容
2 液面脉冲放电仿真分析
    2.1 静电场仿真分析
        2.1.1 静电场基本方程
        2.1.2 静电场仿真模型的建立
        2.1.3 针-针间距对电场强度的影响
        2.1.4 电导率对电场强度的影响
        2.1.5 外加电压对电场强度的影响
        2.1.6 气隙间距对电场强度的影响
    2.2 等离子体仿真分析
        2.2.1 理论模型
        2.2.2 约化电场的时空分布
        2.2.3 粒子浓度的时空分布
        2.2.4 电压的影响
    2.3 本章小结
3 液面放电等离子体的放电特性研究
    3.1 实验系统与测试方法
        3.1.1 实验系统
        3.1.2 测试方法
    3.2 液体电导率的影响
    3.3 放电功率
    3.4 电压的影响
        3.4.1 放电图像
        3.4.2 等效电容的确定
        3.4.3 电压电流波形
    3.5 发射光谱
    3.6 活性物质的生成
    3.7 本章小结
4 液面放电等离子体处理对硝基苯酚废水的研究
    4.1 实验方法
    4.2 过硫酸盐添加量的影响
    4.3 脉冲电压的影响
    4.4 气隙间距的影响
    4.5 初始pH值的影响
    4.6 激活过硫酸盐主要因素分析
    4.7 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2882170