低溫等離子體技術對廢水的處理

陳銘?zhàn)?/p>

摘 要：等離子體為電離氣體，是物質的第四態(tài)，在環(huán)境領域中，可使用介質阻擋放電或高壓輝光放電產生臭氧，臭氧對于污水深度處理有著重要的作用，由于其具有的強氧化性，可以除去水中很多難降解污染物。本文主要介紹了產生等離子體的五種常見方式以及廢水中有機物在低溫等離子體中的降解的可能機理。

關鍵詞：環(huán)境工程；等離子體；廢水處理；臭氧氧化

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0003-02

1 低溫等離子體技術

1.1 低溫等離子體的概念

等離子體為電離氣體，是物質的第四態(tài)，隨溫度升高，物質由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，再變?yōu)闅鈶B(tài)，分子熱運動隨溫度升高而加劇，分子中的原子獲得足夠動能后，彼此開始分離，外層電子脫離束縛變?yōu)樽杂呻娮樱幼優(yōu)殡x子發(fā)生電離。或是一定電壓擊穿氣體分子，使得部分氣體分子電離產生各種離子、中性原子或分子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、電子、負離子、輻射光子和自由基的非凝聚體系。體系中的正電荷與負電荷數量相等，因此稱為等離子體。它是一種導電流體，氣體中的例子間存在庫侖力，運動受電場和磁場的影響，等離子體內部聚集的各種原子、分子、例子等都是極易反應的。

等離子體按照帶電粒子溫度的相對高低，分為高溫等離子體和低溫等離子體。重粒子溫度接近或等于電子溫度時稱為高溫等離子體（平衡等離子體），遠低于電子溫度時稱為低溫離子體（非平衡等離子體）。低溫等離子體系統特性主要由帶電粒子決定，電場、磁場共同作用影響，具有獨特的物理性質，可產生多種物理、化學反應。高溫等離子體產生的10000K以上的具有很高反應活性的粒子能使污染物迅速熱解。如法國發(fā)明的電感耦合等離子體流化床反應器，波蘭發(fā)明的聯合等離子體PCB處理裝置[1]。低溫等離子其中的電子溫度大于10000K，離子溫度可能低至300K，因此高能電子可使分子激發(fā)、電離，反應體系仍能保持在較低溫度。它是一種將高能電子輻射、臭氧氧化和紫外光解作用于一體的技術，能將含苯環(huán)有機物破壞。

自然界中存在的等離子體的有閃電、極光等。人工產生的等離子體有霓虹燈、電弧和熒光燈管等。過去，等離子體主要作為照明，金屬加工如熔融、切割，磁流發(fā)電等。產生等離子體的方法有很多，根據放電介質，分為氣相放電、液相放電、固相放電、氣液相放電等。主要方法有介質阻擋放電（DBD）、輝光放電（GD）、電弧放電、電暈放電、感應耦合等離子體（ICP）等。輝光放電通常在低氣壓進行，所需放電電壓低，電子能量較低；電暈放電在常壓下進行，但獲得能量集中，難獲得大量等離子體[2]；介質阻擋放電能在大氣壓下產生大量具有高能密度的低溫等離子體[3]。

在環(huán)境領域中，可使用介質阻擋放電或高壓輝光放電產生臭氧，臭氧對于污水深度處理有著重要的作用，由于其具有的強氧化性，可以除去水中很多難降解污染物。特別是對于有毒有害廢水的處理，熱等離子體具有能量高，溫度高的特點，反應迅速，反應器體積小，簡便高效。目前，介質阻擋放電法和高壓脈沖放電法等離子體活性粒子能量高，電磁場強，適用于處理難于處理的有機廢水。

1.2 低溫等離子體的應用

利用低溫等離子體氧化法處理難降解毒性有機廢水的研究在國際上時間并不長。在國外，此項技術及其設備已推向商業(yè)化運行（如圖1，為某國內廠家生產的低溫等離子體技術水處理設備）。只是國內的研究雖時有報道，但多為單一有機物降解的實驗室研究，對于含有不同類型有機物的實際工業(yè)廢水的降解研究較少，工業(yè)化的等離子體水處理設備更少。目前所做的研究均為等離子體降解水中某些污染物提供新思路。

2 低溫等離子體的發(fā)生技術及處理原理

2.1 低溫等離子體發(fā)生技術

2.1.1 簡介

低溫等離子體中的離子溫度遠低于電子溫度，離子溫度可以維持在300～500K，這個溫度下是能夠在水溶液中存在的，但是通常電子的溫度可以達到104K。放電的方式、放電功率、氣體種類等等都會影響等離子體參數，其中放電方式在其中起到了最主要的作用[1]。通過氣體放電、激光燒蝕、燃燒、沖擊波以及粒子束或射線等方法都可以人工產生等離子體，而在這些方法當中，最為常用的是氣體放電法。根據氣體放電的產生方式、壓強范圍以及電極的形狀的不同，可以將其分為不同的方法來產生低溫等離子體，相應的發(fā)生設備也是不一樣的，這樣，又可根據不同的場合來應用相應的等離子體設備。產生等離子體的放電方式主要有輝光放電、電暈放電、介質阻擋放電、射頻放電和滑動電弧放電等五種，每一種產生方式都有其各自的應用范圍[4]。

2.1.2 輝光放電

輝光放電的工作壓力不高，屬于低氣壓放電的范疇。采用輝光放電方式的等離子體發(fā)生裝置的一般其構造是將兩個平行的電極板放置到一個密閉的容器當中，利用電子的激發(fā)產生等離子體同時釋放能量。輝光放電用于等離子體的發(fā)生非常有限，由于成本昂貴以及低氣壓的限制其在水處理工業(yè)中的應用局限性很大。

直流輝光放電是由于輻射，當在兩個存在氣體中的電極間的電壓達到一定強度，電極發(fā)射出的電子被陰極前的電場加速，與氣體分子碰撞，其中非彈性碰撞導致激發(fā)和和離子化，氣體分子被擊穿為正離子和電子放電。離子化的碰撞產生新的離子和電子，向陰極方向運動的正離子被電場加速，誘導二次發(fā)射，陰極再次釋放電子，產生新的碰撞，因而出現更多的離子和電子。在電壓足夠高時，輝光放電還能產生濺射現象：等離子體中的正離子和高速原子輻射陰極，釋放電子的同時也釋放出構成陰極材料的原子。

脈沖輝光放電，可以以脈沖形式利用電壓，得到更強的瞬時濺射。由于輝光放電能在較寬的壓力范圍內更為可靠地運行，但在較高壓力下運行容易引起氣化、電弧等。若反應器減小，氣體壓力增大，壓力和容積維持恒定，此時可以在常壓或更高壓力下產生輝光放電。

2.1.3 脈沖電暈放電endprint

脈沖電暈放電的基本原理是利用非對稱的電極在電極的曲率半徑小的地方由于有極高的電場強度，可以使電子發(fā)射和氣體分離，從而形成電暈。由于電暈放電電場的分布非常不均勻，其電子能量以及電子密度很小，應用性也比較弱[5]。

2.1.4 介質阻擋放電

介質阻擋放電裝置是用絕緣介質覆蓋住某一個或者兩個電極，然后在兩電極之間充滿工作氣體，或者將顆粒狀的介質填充在電極中間，此時，如果在兩電極之間施加高壓交流電，當電壓足夠高時，就能夠擊穿電極間的氣體而發(fā)生放電。

介質阻擋放電（又稱為“無聲放電”）發(fā)生在幾乎常壓時，電介質層（如玻璃、陶瓷等）放置在兩電極間。它通常由納秒間隔的線狀微放電組成，一般而言，常壓放電可當成漫射的介質阻擋放電。介質阻擋放電有兩種基本結構：容積放電和表面放電。容積方面由平行的板狀電極組成，微放電無規(guī)則地分布在電極表面，發(fā)生在一些與放電間隙橫向交叉的通道內，放電數與電壓振幅在同一周期內成一定比例。表面放電由位于介質層的表面電極對組成，無確定的放電間隙，發(fā)生在電極表面。目前，無聲放電是最有效的臭氧發(fā)生工具，大量用于廢水處理。

2.2 低溫等離子體反應機理

廢水中有機物在低溫等離子體中的降解機理，主要存在下面幾個過程[6]：

2.2.1 高能電子輻射的作用

低溫等離子體內存在高能電子，它可以轟擊水分子，首先使水分子發(fā)生電離，水分子激發(fā)生成離子、激發(fā)分子以及次級電子，再生成具有極強反應能力的游離氧、臭氧以及羥基自由基等物質。這些反應能力很強的活性基團能夠輕易攻擊有機分子，使其形成較易被氧化的中間產物，水中的溶解氧又能將中間產物進一步氧化，而后再發(fā)生一系列反應最終分解為小分子物質。

2.2.2 臭氧氧化的作用

臭氧具有較強的氧化性，可以使廢水中的有機污染物氧化、分解成小分子較易去除的或者是無毒無害的物質。溶液的酸堿性不同，臭氧氧化、分解有機物的作用機理及其在水中的分解機理也不同。

臭氧氧化水中有機物的途徑可以是由臭氧直接氧化該種有機物，也可以是由臭氧分解產生的中間產物羥基自由基來氧化該種有機物。羥基自由基的氧化性較臭氧而言更強，它幾乎可以與水中存在的所有污染物發(fā)生反應，使之氧化分解，最終形成CO2，H2O以及其他無毒無害無機物。

2.2.3 紫外線催化氧化的作用

等離子體中產生的紫外線能夠分解有毒有害污染物，其基本原理是污染物分子吸收光子，而后進入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子通過化學反應返回到基態(tài)，同時吸收能量，其吸收的能量能夠使得污染物的分子鍵斷裂，斷鍵之后形成相應的新物質，游離基或離子，當這些新的物質容易生成較易去除的物質時，該種污染物就能夠通過這種方式被去除。但是由于一般情況下只有光子的能量大于有機污染物分子的鍵能時，光解有機污染物才能成功，而對于大部分的有機污染物而言，它能夠被光分解的有效波長小于300nm，因而紫外光催化氧化分解有機物是存在它的局限性的。

參考文獻

[1]吳向陽，仰榴青，儲金宇，等.低溫等離子體處理廢液技術[J].化工環(huán)保，2002，22（2）：111-114.

[2]李巖.低溫等離子體技術在水溶液化學中的應用[D].西北師范大學，2006.

[3]武海霞，林琳，趙浩，等.介質阻擋放電處理苯胺廢水的試驗研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2012，44（6）：892-897.

[4]陳伯俊，周思華.低溫等離子體技術及其環(huán)境工程應用[J].寧夏師范學院學報，2009，30（6）：39-41.

[5]馮春楊.脈沖電暈技術處理揮發(fā)性有機化合物的應用研究[D].中國工程物理研究院北京研究生部，2003.

[6]Tezuka M， Iwasaki M. Plasma-induced degradation of aniline in aqueous solution[J]. Thin Solid Films， 2001，386（2）：204-207.endprint