低溫等離子體凈化苯甲酸廢水研究

榮俊鋒，李泰廣，史同上，談德偉，何媛，陳金缽，張創

(安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001)

含苯甲酸廢水直接排出會對環境產生很大威脅[1]。苯甲酸降解主要采用吸附法和生物法，吸附法處理能力不大[2]；生物法菌種獲取困難，培養周期長[3]。因此，該類廢水處理難度較大。

低溫等離子體技術兼具高能電子輻射、O3氧化和紫外光解3種效能，通過放電產生活性粒子，攻擊有機物發生系列反應，使其變為小分子，進而降解為CO2和H2O，在水處理領域應用廣泛。介質阻擋放電、電暈放電、輝光放電等都能產生低溫等離子體，其中介質阻擋放電穩定、電子密度高、能量強是近年來廢水治理領域的研究熱點[4-8]。

本文采用介質阻擋放電產生低溫等離子體的方法凈化苯甲酸廢水。

1 實驗部分

1.1 藥品與儀器

苯甲酸、氫氧化鈉、鹽酸、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、硫酸銀均為分析純。

等離子體水處理反應器，自制(反應器殼體為圓筒形有機玻璃，內徑90 mm，壁厚6 mm，高200 mm。反應器頂部開三個孔，中心孔孔徑3 mm，插入正極銅針電極，銅針長250 mm，直徑3 mm，一端磨尖用于放電；左孔為壓縮空氣曝入孔，孔徑5 mm，曝入的壓縮空氣既能為反應體系提供溶解氧，又能起到攪拌效果；右孔孔徑15 mm，接回流冷凝器回收蒸發的水分。底部鋁板網(直徑80 mm，厚1.2 mm)固定于反應器外側，作為負極)；TDGC2接觸調壓器；DD862集成式(功率、電壓、電流)數顯儀表；P096652C等離子體電源；DF-II數顯集熱式磁力攪拌器；P6015A高壓探頭；TDSl0128B數字式示波器；PTF-A電子天平；DZ-3030B空氣壓縮機；HCA-100標準COD消解器。

1.2 實驗方法

按圖1連接各實驗裝置部件[9-10]，取200 mL濃度1.5 g/L模擬苯甲酸廢水置于反應器內，接通等離子體電源，打開回流裝置，調節接觸調壓器，進行放電實驗，在正、負極之間，絕緣有機玻璃和苯甲酸廢水充當放電介質，形成介質阻擋放電，產生具有高能活性的低溫等離子體降解廢水中的苯甲酸。對放電電壓、放電時間、苯甲酸廢水濃度、pH值等參數進行調整。在不同反應條件下取樣，采用重鉻酸鉀法(HJ 828—2017)測定溶液COD值，計算COD降解率。

其中，COD0為苯甲酸廢水初始COD值，COD為凈化后苯甲酸廢水COD值。

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

1.交流電源；2.調壓器；3.集成數顯儀表；4.等離子體電源；5.壓縮空氣曝入口；6.回流冷凝器；7.針板式DBD反應器；8.磁力攪拌器；9.高壓探頭；10.數字示波器

2 結果與討論

2.1 苯甲酸溶液濃度對COD降解率的影響

調整放電電壓400 kV、放電間距5 mm，分別對濃度為0.1，0.5，1.0，1.5，2.0 g/L苯甲酸溶液200 mL 放電處理2.0 h。計算COD降解率，結果見表1。

表1 苯甲酸濃度對COD降解率影響

由表1可知，模擬苯甲酸溶液濃度選擇1.5 g/L時，COD降解率最高。

2.2 放電時間對苯甲酸溶液COD降解率的影響

調整放電電壓400 kV、放電間距5 mm，濃度1.5 g/L 苯甲酸溶液200 mL，放電時間對COD降解率的影響見圖2。

圖2 放電時間對苯甲酸溶液COD降解率的影響Fig.2 Effect of discharge time on the degradation rate of COD in benzoic acid solution

由圖2可知，隨著放電時間延長，COD降解率呈現上升趨勢，>2.0 h時，上升幅度減小。可知放電時間2 h，苯甲酸廢水處理效果較好。

2.3 放電電壓對苯甲酸溶液COD降解率的影響

調整放電間距5 mm，對濃度為1.5 g/L苯甲酸溶液200 mL在電壓400，450，500 kV條件下放電2.0 h，放電電壓對苯甲酸溶液COD 降解率影響見表2。

表2 放電電壓對苯甲酸溶液COD降解率的影響

由表2可知，放電電壓在400 kV時不易被氧化和發生電壓擊穿[11-12]，處理效果相對較好。在放電過程中，電功率主要有以下幾個方面的消耗：產生等離子體、電路設備的功率消耗以及水樣水溫和放電反應器溫度的上升[13-15]。所以電壓的升高會提升單位空間等離子體的密度和活性，提高COD降解率，同時電路設備和反應器的消耗也會相應增加。綜合考慮，電壓400 kV時處理效果較好。

2.4 pH對苯甲酸溶液COD降解率的影響

放電電壓400 kV、放電間距5 mm條件下，濃度1.5 g/L苯甲酸溶液取200 mL，調節pH，然后放電 2.0 h。分析苯甲酸溶液COD值，并計算COD降解率，結果見圖3。

由圖3可知，pH為1時處理效果最差，這是因為酸性條件下苯甲酸不易被降解；pH為7時，COD降解率最高；在pH為8時，弱堿環境下苯甲酸性質較為穩定，不易被降解；在弱酸性環境下，苯甲酸性質相對不穩定，降解效果較好。

圖3 pH對苯甲酸溶液COD降解率的影響Fig.3 Effect of pH on the degradation rate of COD in benzoic acid solution

2.5 正交實驗

在單因素實驗基礎上，以苯甲酸溶液濃度、通電電壓、放電反應時間、苯甲酸溶液pH值為因素，各取3個水平，COD降解率為指標，進行正交實驗。因素與水平見表3，結果見表4。

表3 正交實驗因素水平

表4 L9(34)正交實驗結果

由表4可知，影響苯甲酸溶液COD降解率因素主次順序為：苯甲酸溶液pH值>苯甲酸溶液濃度>放電時間>放電電壓。優方案為A3B3C1D2，即苯甲酸溶液濃度1.5 g/L，溶液pH值6，放電電壓410 kV，放電時間2.0 h。做驗證實驗，COD的降解率達到65.59%，所以處理苯甲酸廢水的最優條件為：苯甲酸溶液濃度1.5 g/L，溶液pH值6，放電電壓410 kV，放電時間2.0 h。如將該方法和傳統Fenton氧化法以及絮凝劑相結合可能達到更好的凈化效果。

3 結論

低溫等離子體處理苯甲酸廢水的最佳條件為：放電電壓410 kV，放電時間2.0 h，苯甲酸溶液濃度1.5 g/L，溶液pH值為6。在此條件下，COD的降解率達到65.59%。