介质阻挡放电耦合电晕放电低温等离子及其对含染料废水脱色研究

发布时间：2020-10-30 13:25

　　 高压放电低温等离子体技术是一种全新的高级氧化技术,逐渐被应用于水处理领域的研究。本论文重点研究了新型放电反应器对染料脱色过程的影响因素、处理效果、反应机理及其动力学过程。 本文的主要内容和取得的研究成果及结论如下: (1)设计了新型放电低温等离子体反应器,其结构包含介质阻挡放电系统和电晕放电系统。此反应器的优点在电压达到放电电压时,雾化状态水溶液开始放电,由于介质层的存在,电荷在介质表面积累,形成感应电场与外加电场的叠加,雾化放电空间内电场场强得到增强,在雾化区域内形成许多小细丝状流注放电通道,通道内部形成大量的低温等离子体活性物质,低温等离子体活性物质能紧密与染料分子接触,形成低温等离子体向被处理染料分子的最佳传质形式,全部低温等离子区均被包括在处理水雾化区之中,低温等离子活性物种最浓处也是处理水雾最密处,达到最佳的能量利用率。 (2)实验测试并优化了反应器参数。结果表明,在介质阻挡放电系统电极间距为30mm、电晕放电系统电极间距为25mm、电源电压为25kV时,反应器体系中两个放电系统雾化均很充分,按质量计算,大部分液滴的粒径在100-500μm之间。放电状态较好,甚至有些雾化液滴可达到100μm以下。雾化液滴较小,其比表面积则较大,具有强大的表面能,液滴表面的染料分子能充分和放电过程中生成的活性基团物质接触、氧化、分解。 (3)分析测定了反应器工艺参数和染料溶液性质对其脱色的影响。随电压的升高和处理时间的延长,实验染料溶液的脱色效率不断增大,且电压越高,溶液短时间脱色效率提高越迅速,但当脱色效率达到较高水平后,脱色效率的提高变得缓慢。随染料浓度的增大而脱色率减小。但绝对去除率随染料浓度的增加而增加。酸性条件下,直接大红染料溶液的脱色率最低;中性条件下,脱色率开始前1个小时高于碱性和酸性条件,而随着实验的延长,超过一小时以后,初始pH较高(≈12)的脱色率升高。 (4)分析测定了反应器工艺参数对能量效率的影响。较低电压的能量水平较高,随着电压的升高,能量效率水平反而下降。介质阻挡放电系统的电极间距较小时,反应器的能量效率水平较高,而随着电极间距的增大,在低电压阶段能量效率迅速下降,而电压升高时,不同电极间距的能量效率差异缩小。电晕放电系统电极间距对能量效率水平的影响差距不大,随着电压的升高这种差距变得越来越小。在电压为20kV、25kV时,不同电极间距的能量效率水平几乎相等。 (5)确定了反应器最佳工作状态。结合电极间距、电源电压对染料溶液脱色率和能量效率的影响,确定本实验反应器最佳工作状态是介质阻挡放电系统的电极间距为30mm、电晕放电系统电极间距为25mm、电源电压20kV。 (6)测定分析了直接大红染料脱色过程。通过测定直接大红染料脱色过程中的溶液pH、TOC、紫外可见光谱图和高效液相色谱图可知,在脱色处理时间(6h)范围内,染料溶液的COD值增大, pH值持续下降,TOC值逐渐降低,结合紫外可见光谱图和高效液相色谱图,说明染料分子虽然已经遭到破坏,染料分子内强生色基团偶氮双键确实遭到攻击,大的共轭体系被破坏,染料分子被脱色,却没有完全被彻底矿化成二氧化碳等无机物,出现了芳环和萘环结构的累积现象,可见完全破坏芳环比破坏偶氮双键发色团更困难。 (7)分析了等离子体对染料脱色的机理。在反应器放电极加入高电压后,空气中的电子在电场力的作用下,发生气体放电产生大量活性物质,接触到雾化液滴表面时,氧化染料分子、溶解在液滴内部与染料分子反应;同时,由喷嘴喷出的液体在交流高压电场的作用下,液滴发生畸变并产生液滴尖的微放电,产生了大量的活性物质与液滴表面和内部的染料发生反应,使其脱色;当荷电雾化液滴流至尖端,产生尖端电晕放电,又产生大量活性物质,它与在电晕电场内雾化下落的液滴接触,继续发生表面氧化,同时H2O2和O3可溶解在液滴内的活性物质溶解在液滴内部,随液滴一起落入下贮水箱时,氧化反应仍在继续。 (8)分析建立了动力学方程。结果表明,在不同初始浓度、pH和电源电压的实验条件下,溶液中直接大红染料的质量浓度随反应时间的增加呈现指数性降低。等离子体对染料脱色的动力学过程受实验条件限制。在染料脱色效率较高的实验条件下,脱色过程符合一级反应动力学。此时脱色速率常数随染料初始浓度的增大而减小;随电压升高而增大,随pH的增大而增大。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：X703
【部分图文】：

火花放电产生时，两电极间所加电压超过其最小击穿电压，电极生可达 103-105A 导通电流。此时两极间电压急剧降低。发出极强的所受太阳光强的几千倍，伴随很强的紫外辐射，和高达上万 K 的高够大时，火花放电转变为弧光放电，弧光放电即为强流放电。高电压，产生热等离子体，伴随而来的是高温，高压，气泡空穴效应，紫外传播等，激发产生大量的自由基。有效的对水中各种有机物进行快速阻挡放电处理的介质阻挡放电是将两电极的一侧或者两侧铺敷一层绝缘介质高压交流电场，被处理的水以连续相或分散相通过电极间，在大气压、散漫的丝状流光放电。水中应用介质阻挡放电形式，主要是为了避回路中的漏电电流。同时介质的存在，还有助于保护电极，延长电极中产生的电子密度在 1015/cm2，电子能量远高于电晕放电平均电子能使有机物分子，水分子，氧气分子产生电离、激发而产生许多具有高、 OH·、 0·、H202等。电形式如图 1.1。

单纯液相放电和水中鼓泡式液相放电。单纯液相放电方式是高压放电水处理所采取的最初级的一种形式，现在己经渐渐汰，原因是此种放电大多是以电晕或火花放电的形式出现，造成的冲击波和电极腐蚀应严重，要求的放电反应器材料必须有好的耐冲击压强及好的绝缘性，由于放电腐蚀成的电极间距减小而产生放电不稳现象。从自由基及放电产生的有益反应物种而言，于高压电极产生的高能电子在脱离电极之后，还未有足够的时间和距离来获得充分的速，在电场中获得的能量很少的前提下就与液体大分子发生碰撞，大部分的电子能量因动量守恒原理，而传递给液体分子。因液体的分子自由程很小，且分子间的约束力远大于气体，这就造成了在液体中放电机理十分复杂，电子雪崩很难发生。只有靠加两极间的电压和电极的曲率半径、间距才能保证放电的产生，也便限制了放电的处理域。因在这种放电形式下，OH 自由基的形成主要是在放电形成的等离子通道中产生的由于自由基的寿命很短，几乎在刚产生就消失，因此在等离子通道中难以扩展到更广范围，使降解污染物的效率较低。电极浸没式放电反应器的形式有针-板式、板-板式、针-筒式、环-筒式等。如图 1.

各种放电形式如图 1.1。图 1.1 各种放电形式简图1.3.2.2 高压放电水处理反应器类型根据水和电极之间的接触形式，及其放电介质以液相或气相为主体，将高压放电水处理反应器分为以下几种形式：1）电极浸没式——以液相为主体电极浸没式是将两电极或只将高压电极浸没在被处理的水中。这种方式又可以分为9
【引证文献】

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本文编号：2862533