等離子體技術(shù)在廢水處理中的研究進展

李曉艷

摘 要：近年來，在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，城市化進程逐漸加快，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水與生活廢水，部分廢水中有大量復(fù)雜性有害物質(zhì)，如果未經(jīng)處理便排放，將會嚴重污染生態(tài)環(huán)境，對人們的生活產(chǎn)生極大的影響。因此，廢水處理工作極為重要，各項廢水處理技術(shù)也得到了進一步完善，被廣泛應(yīng)用于廢水處理中。經(jīng)濟、高效、無二次污染的廢水處理技術(shù)一直是業(yè)界人員研究的方向。其中，低溫等離子體技術(shù)是一項新型污水處理技術(shù)，整體處理效果良好，且適用范圍比較廣，受到了社會各界的廣泛關(guān)注。分析低溫等離子體技術(shù)對廢水進行處理的基本原理，并闡述了當前低溫等離子體技術(shù)的發(fā)展研究現(xiàn)狀，進一步探討了低溫等離子體技術(shù)在廢水處理過程中面臨的相關(guān)問題與應(yīng)用前景，希望可以為相關(guān)從業(yè)人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：低溫等離子體；廢水處理；研究進展

基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃項目（18JK1102）

隨著工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的廢水與廢棄物，廢水處理至關(guān)重要。通過有限的成本，最大限度地保證廢水的排放符合排放標準、達到回收要求是當前污水處理的最終目標。但是廢水中含有大量有毒有害物質(zhì)，很難有效降解，大量的難降解有機化合物以及表面活性劑等，也是保證廢水處理達到相關(guān)標準、要求的重點、難點所在。

對于廢水中存在的污染物，當前已經(jīng)有多種處理技術(shù)和方法，且被廣泛應(yīng)用于實踐研究中。高溫氧化、催化氧化以及低溫等離子體氧化等技術(shù)由于對難降解有機物有良好的去除效果，備受社會各界的關(guān)注。其中，低溫等離子體中包含強氧化性的羥自由基、激發(fā)態(tài)原子以及高能活性粒子，能夠有效降解有機物，在氧化過程中，也會發(fā)生沖擊波、紫外光輻射等物理化學(xué)反應(yīng)，有助于加快有機物的進一步降解。近年來，由于其高效的降解能力且無二次污染，該技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。

1 低溫等離子體技術(shù)原理

等離子體主要是在相對特定的反應(yīng)環(huán)境中，高壓脈沖電源注入能量到水中或者水面上產(chǎn)生的，當在電極和接地極兩者之間施加窄脈沖高壓時，脈沖電流會導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度大幅度上升，從而形成一種放電通道，電子也會獲得巨大能量從而形成高能電子，和水分子碰撞發(fā)生解離，在高溫環(huán)境下，通道中會快速出現(xiàn)等離子體。低溫等離子體主要由高能電子、正負離子、強氧化性自由基以及激發(fā)態(tài)分子、原子等共同組成，在放電環(huán)境中，活性物質(zhì)會使污染物中的不飽和鍵產(chǎn)生斷鍵與開環(huán)等反應(yīng)，將廢水中的大分子物質(zhì)逐漸分解，變?yōu)樾》肿樱踔翆⑵渫耆V化，有助于提升難降解物質(zhì)的整體可生化性。

低溫等離子體技術(shù)具有高存儲能力、高密度等優(yōu)勢，可將放電能量以電離能、分子動能等形式儲存在等離子體中，在反應(yīng)過程中逐漸轉(zhuǎn)化為光能、熱能與壓力勢能等，在等離子體中形成壓力梯度，熱輻射壓力與膨脹勢能疊加，以水分子慣性為基礎(chǔ)，通過波的形式傳遞出去，從而產(chǎn)生沖擊波。等離子體熱能會使周邊的液體氣化，快速形成內(nèi)能與膨脹勢能。氣泡中的溫度與壓強也會大幅度上升，當介質(zhì)相對均勻時，動能和位能之間會發(fā)生轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生膨脹與收縮的反應(yīng)過程。等離子體逐漸消失，氣泡便會慢慢形成，其中存在許多離子、自由基、原子以及分子，氣泡破滅之后，會朝著周邊介質(zhì)逐漸擴散。所以，等離子體中的熱能會朝著周邊傳輸，同時，高壓、高溫會使蒸汽泡出現(xiàn)，其在溫度與壓力的影響下可形成超臨界水。低溫等離子體受到高溫熱解、紫外光解、超臨界水氧化等多項技術(shù)影響，包含等離子體中有機物的降解和通道之外的氧化[1]。

2 低溫等離子體裝置

2.1 電源

低溫等離子體產(chǎn)生的基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)是高壓電源，當前用于產(chǎn)生低溫等離子體的電源主要分為直流與交流兩種。直流高壓電源針對放電的實際連續(xù)性，又可劃分為高壓脈沖電源與高壓電源，后者可實現(xiàn)連續(xù)性放電，前者主要是通過放電開關(guān)以及火花隙開關(guān)、高容量電容共同形成放電回路，實現(xiàn)脈沖放電。當前關(guān)于交流放電所產(chǎn)生的低溫等離子體對廢水進行直接處理的相關(guān)研究不多[2]。

為了促進低溫等離子體廢水處理朝著工業(yè)化的方向發(fā)展，對大功率脈沖電源的研究與開發(fā)成為當前的重點研究方向。當前火花隙脈沖電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實踐中。平均功率2 kW的脈沖電源，也為該項技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展與應(yīng)用提供了保障。

2.2 反應(yīng)器

低溫等離子體對廢水進行處理的反應(yīng)裝置是對電能進行化學(xué)轉(zhuǎn)化的重要場所，也是該技術(shù)的核心處理部分。目前，低溫等離子體在廢水處理過程中，主要是針對電極的整體結(jié)構(gòu)差異性，包括線筒式反應(yīng)器、泡沫式反應(yīng)器以及介質(zhì)阻擋放電式反應(yīng)器等。

針板式反應(yīng)器是目前應(yīng)用最廣泛、相關(guān)研究最多的一種反應(yīng)器，由針電極與板電極組成。針電極進行電極放電，其主要材料為不銹鋼，也有鋁、鉑等材質(zhì)的放電材料。板電極主要用作接地電極，主要材質(zhì)是不銹鋼，由于放電電極針的具體數(shù)目存在很大的不同，可分為單針板與多針板兩種反應(yīng)器類型。針對放電介質(zhì)存在很大不同的特征，又可以將其分為氣相放電以及液相放電兩種[3]。

氣相放電反應(yīng)器的針電極位于板電極之上，兩者之間相隔一定距離，被處理溶液會在電極中流動，完成放電，同時，等離子體中的有效成分和液面的一些復(fù)雜污染物發(fā)生反應(yīng)。多根針在相同平面中可共同組成多針放電電極。水中放電反應(yīng)器針電極與板電極通常存在于溶液中，部分情況下，為了進一步探討在溶液中通入不同氣體對整體處理效果所產(chǎn)生的影響，會采用空心針電極對氣體進行引入。

棒式反應(yīng)器的兩個電極都是以棒狀的形式存在，電極之間的距離非常短，當施加高壓電流之后，會逐漸形成電弧進行放電，從而逐漸產(chǎn)生等離子體，產(chǎn)生輻射以及紫外光的同時，伴有很強的沖擊波。這樣的反應(yīng)器可用于殺菌、降解以及除銹，但是會存在電極腐蝕嚴重的情況，且影響放電，導(dǎo)致放電穩(wěn)定性不高，等離子體中會產(chǎn)生活性物，其所產(chǎn)生的能量效率非常低。

線筒式反應(yīng)器主要用于接地電極以及氣相放電，放置于反應(yīng)器器壁上方，放電電極主要位于軸心的部位。西方國家最早采用該方法以及結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器處理廢水，并深入研究了高壓脈沖殺菌方法。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器和其他反應(yīng)器相比，有顯著的效果。

環(huán)筒式反應(yīng)器的放電電極以金屬為主，接地電極是金屬柱面，并在反應(yīng)器中放置不銹鋼圓環(huán)，能夠有效改善等離子體針、板反應(yīng)器針尖耗損的情況。數(shù)據(jù)顯示，增加環(huán)電極數(shù)目，可產(chǎn)生許多等離子體，但是如果數(shù)量在3個及以上便會出現(xiàn)火花放電[4]。

泡沫式反應(yīng)器是一種新型放電反應(yīng)器，在內(nèi)部放置兩個多孔陶瓷擴散器，液、氣相都是可以從底部進入的，通過多孔陶瓷擴散之后，會產(chǎn)生大量泡沫，并逐漸進入放電區(qū)域。該方法也能夠有效彌補傳統(tǒng)方法的不足，提高整體放電效果，有效加強熱與傳質(zhì)之間的交換，從而有效提升氧化劑產(chǎn)量。

介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器是比較常見的放電反應(yīng)器統(tǒng)稱，主要是在反應(yīng)器的電極上方覆蓋相應(yīng)的絕緣介質(zhì)，在兩電極之間增加高壓交變電之后，因為存在介質(zhì)，處理對象在高壓下會出現(xiàn)均勻的絲狀流光放電。在放電過程中，電子能量遠遠高于平均能量值，使水分子、有機物分子等逐漸產(chǎn)生電離，激發(fā)活性粒子。該類反應(yīng)器能夠產(chǎn)生很強的放電，同時能夠有效避免溶液與電極之間直接接觸，大幅度延長電極的使用壽命[5]。

3 低溫等離子體技術(shù)處理廢水的研究進展

通過低溫等離子體處理難降解廢水的相關(guān)研究仍處于發(fā)展階段，主要為單一化的模擬廢水，如染料、苯酚等，等離子體在去除廢水中有機物的過程中，和多種因素有密切的聯(lián)系，包括電極極性、放電頻率、pH、添加劑等。

3.1 液相放電處理廢水

液相放電主要指的是沒入水中的高壓電極與地電極在能量注入水中后會產(chǎn)生過氧化氫、臭氧等物質(zhì)，早在20世紀80年代，國外便采用了針板式反應(yīng)器，進一步研究了放電時的化學(xué)反應(yīng)情況。結(jié)果顯示，在染料溶液中完成放電時，加入混合氣，降解率高達80%，隨后又有學(xué)者通過棒式反應(yīng)器進行放電反應(yīng)，對水中的氯酚進行處理，去除率為36%[6]。在之后的研究中加入了活性炭，并實時觀察對水中酚產(chǎn)生的影響。數(shù)據(jù)顯示，對于單獨放電以及活性炭酚的整體去除率顯著提高，學(xué)者認為其主要是因為活性炭的吸附作用，放電在活性炭表面誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)。隨后環(huán)筒式反應(yīng)器在脈沖放電過程中，等離子流柱會有更大的通道，比單環(huán)放電電極反應(yīng)器的整體效率更高，染料脫色率在95%以上，最終得出，苯是最難去除的物質(zhì)，其實際去除率與溶液的濃度以及氧氣的實際流量有關(guān)。

3.2 氣相放電處理廢水

在施加電壓的情況下，兩電極之間的氣體介質(zhì)會受到?jīng)_擊，所產(chǎn)生的非平衡等離子體擴散到液體中，和污染物發(fā)生反應(yīng)。單針板反應(yīng)器在施加非脈沖直流高壓時，可通過低氣壓放電，對水中的氯苯酚進行處理，并且能夠監(jiān)測實際反應(yīng)情況，有效提高放電電流、攪拌速率，降低pH，提高實際轉(zhuǎn)化率。在低氣壓環(huán)境下，放電過程需要更低的電壓，和常壓氣相放電相比，對于相同污染物的轉(zhuǎn)化與處理所需要的實際能量會更少。

4 目前存在的問題以及發(fā)展趨勢

當前對于低溫等離子技術(shù)在廢水處理中的相關(guān)理論研究是非常多的，但是對于不同的有機物以及廢水降解的報道比較少，廢水的作用機理以及相關(guān)影響因素對實際處理結(jié)果的影響相關(guān)研究遠遠不夠，而且實驗重復(fù)性也比較差。在實際應(yīng)用過程中，降解效率低、能耗高等問題依然存在。今后的相關(guān)研究工作應(yīng)當集中在相關(guān)參數(shù)以及放電方式等方面，不斷優(yōu)化工藝，提升電源設(shè)備的高效性，保障工藝流程的設(shè)計合理性。

5 結(jié)語

低溫等離子體技術(shù)是一種新型高級氧化技術(shù)，具備電子輻射、高溫熱解以及臭氧氧化等多種效應(yīng)的協(xié)同降解能力，可有效去除難降解物質(zhì)，整體效果好，處理速度快，且沒有二次污染，在常溫常壓下可進行，在有毒廢水降解過程中具有顯著的優(yōu)勢，應(yīng)用前景非常廣闊。

[參考文獻]

[1] 楊宸偉.低溫等離子體水處理技術(shù)在廢水處理中的研究進展[J].西南給排水，2018，12（1）：22-23.

[2] 馬可可，周律，辛怡穎，等.低溫等離子體技術(shù)用于廢水處理的研究進展[J].應(yīng)用化工，2019，48（1）：153-158.

[3] 馬東平.低溫等離子體在廢水處理中的應(yīng)用及其機理的研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2018.

[4] 龔詩，孫亞兵，鄭可，等.低溫等離子體技術(shù)處理有機廢水的研究進展與現(xiàn)狀[J].山東化工，2019，32（15）：11-12.

[5] 陸泉芳，俞潔.輝光放電等離子體處理有機廢水研究進展[J].水處理技術(shù)，2018，12（1）：22-23

[6] 韓育宏，陸彬，李慶，等.高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)研究進展[J].河北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，27（增刊1）：190-194.