脉冲放电等离子体技术在水处理中的应用及前景展望

【摘 要】脉冲放电等离子体是一种全新概念的废水处理技术，能有效地去除水体中的有机污染物的水处理技术。文章介绍了等离子体的作用机理及应用，并对此新技术进行了前景展望提出了可以改进的一些方面。

【关键词】脉冲放电；等离子体技术；水处理

1.脉冲放电等离子体技术、作用机理及效应

由高压脉冲电源作为外加电源可形成脉冲流光放电等离子体（简称脉冲放电等离子体），这些等离子体在水体中会产生电子、离子、激发态分子、中性或带电的自由基、中性分子以及冲击波。主要的形式有HO·、H·、O2-、H202、03、紫外线等。

高压脉冲放电产生等离子的这一过程同时伴随着某些物理效应和化学效应，化学效应主要是指脉冲放电过程中强的电场在放电空间形成了一个等离子体通道，这一通道中存在高能电子、离子、激发态离子以及多种氧化性物种，包括·OH、·0、02-、·HO2、H202、03等，这些氧化性自由基和氧化性分子均具有较高的氧化电位，可以有效地氧化降解水体中的有机物分子。物理效应则是伴随放电在水溶液中形成的高温热解、超声波和紫外光等[9]。

2.等离子体技术在水处理中的应用

2.1 处理有机污染物甲苯[1]

甲苯是一种有机溶剂，经常代替苯作为溶剂。目前的处理方法存在控制难度大、能耗高、要求杂质少等缺点。脉冲放电等离子体净化有机物甲苯技术是一种物理与化学相结合的新方法，利用脉冲放电形成非平衡等离子体，产生大量高能活性粒子，其中电子与甲苯分子碰撞；当电子具有的动能高于苯环中C—C键结合能时，苯环被打开，进而被氧化成二氧化碳和水。

2.2 降解水中的苯酚[5]

苯酚类化合物是一类毒性较强的有机污染物，对生态环境影响较大。研究证明，等离子体技术可提高废水的可生化性，从物理和化学效应可以看出，高压脉冲放电降解苯酚实质上是臭氧氧化、光催化氧化、紫外线等多种效应起用的结果。放电电压越高、气流量越大去除效果越好。总之，苯酚溶液在脉冲放电下的降解途径有两个：一是直接降解成二氧化碳和水，另外生成其他烯烃类物质；二是随着放电能量的增加，最终产物是二氧化碳和水。

2.3 处理硝基苯废水

水中的硝基苯（C6H5NO2）主要来源于工业排放的废水。C6H5NO2属生物难降解物质，对人体及生态系统有毒害作用，国家环保局已将其列入68种优先控制污染物名单。目前的降解方法都未实现实用化[8]。

用脉冲电晕等离子体处理C6H5NO2的基本过程是：·OH与硝基苯同时发生加成和夺氢反应形成环己二烯自由基中间体，这些硝基环己二烯自由基中间体很快失去一个H20或HN03形成硝基苯自由基或苯自由基，·OH也有可能与硝基苯直接发生夺氢反应，生成硝基苯自由基.这些自由基立即与水中大量存在的O2、O3、·OH等结合形成几种酚类物质；然后这些酚类物质在O2、O3、·OH的作用下开环，形成烯酸物质，烯酸物质氧化形成酮、醛、羧酸和H2O2，有机物进一步矿化形成CO2[6]。

2.4 降解水中的TNT[4]

TNT的反应机理以·OH为主，受羟基自由基的攻击，生成2，4，6三硝基苯甲酸、1，3，5三硝基苯，并进一步被氧化、开环，最终生成甲酸、硝酸等低分子酸和小分子无机物。

实验表明：在脉冲电压为9.75kV，脉冲频率为125HZ，电极间距为20mm的实验条件下，初始浓度为30mg/L的TNT水溶液处理60min后，降解率达到66.1%；添加适量的Fe2+对TNT降解效率有明显的促进作用，当Fe2+浓度为0.15mmol/L，处理60min后可以使TNT降解率达到84.0%，比相同条件下不加Fe2+提高了17.9%；而添加H202对TNT降解有抑制作用，H202浓度越高，其抑制作用越明显。

2.5 处理垃圾渗滤液[2，7]

垃圾渗滤液是一种很难处理的废水，其水质水量受多种因素影响而变得非常复杂，目前尚无十分完善的处理工艺。高压脉冲放电可产生非平衡等离子体和臭氧，并不断辐射紫外线，其中的电子（2-20eV）在自由行程内引起一系列分子的电离和激发，与废水和空气作用时产生大量与有机物作用的自由基，从而破坏有机物分子。提高了渗滤液的COD与BOD5值，在一定程度上提高了渗滤液的可生化性。

3.脉冲放电等离子体技术前景展望

3.1 脉冲放电等离子体技术优点及应用现状

脉冲放电降解有机物过程非常复杂，是集光、电、化学等多种氧化于一体的新型水处理技术，是多种高级氧化技术的协同效应.对目前污水中存在的各类有机物的降解均有广泛的适用性，而且因其利用的能源清洁、高效，使这种技术更具有广阔的工业应用前景。国内外利用高压脉冲放电技术处理水中不同污染物的研究较多，主要集中于有毒有害的生物难降解的有机污染物的处理和杀菌消毒的研究。目前，应用这一技术治理水环境尚处于探索阶段，要实现其在废水处理中的产业化，需要继续努力。

3.2 可突破方面[3]

3.2.1 反应条件的优化

反应条件包括脉冲电源参数、电极参数、反应器的设计参数和原水性质等。考察在最佳反应条件下脉冲电晕放电技术对目标污染物的去除率，粗算成本，初步判断该技术在处理水体污染突发事件中的适用性和实用性。换言之，也就是确定该技术在水处理领域的应用潜力以及对其后续的研究是否有必要。

3.2.2 设计高效反应器

在今后的研究中，可以对反应器进行进一步改造，有以下几个努力方向值得尝试：反应器形式、进水采用的形式，进水方向与等离子体气体入口方向等。为了充分利用等离子体中的紫外线等，可以将反应器内壁涂上一层TiO2等光催化剂，如果长期运行该等离子体设施，可以考虑将其转化成其他能量形式，能量的回收可以降低处理成本，提高技术的实用性。

3.2.3与其他工艺的联合使用

当前，等离子体技术在水处理中的应用还处在研发阶段，工程应用还尚需时日，但随着等离子体技术的不断完善，它必须与其他工艺联合应用，扬长避短，充分开发该技术的潜力，更好地服务于水处理工程。可以将水中有机物的相对分子质量分布作为评价指标，由此将水中有机物的相对分子质量分布分成几个区间段：较大的分子可以采用强化混凝、深层砂滤等常规工艺去除；中间分子（尤其是环状或毒性有机物）可以采用等离子体技术去除。残余有机物通过膜分离或活性炭吸附等工艺去除；最后，核算成本。通过以上努力可以弄清楚该技术在组合工艺中所处的地位和应该承担的任务，也就能最大程度地挖掘该技术对污染物的去除能力和市场潜力。

参考文献：

[1]王银生，季学李，羌宁，WANG Yin-sheng，Ji Xue-li，QIANG Ning.脉冲电晕等离子体净化有机污染物甲苯的实验研究[J].同济大学学报（自然科学版）2000，28（6）；

[2]周爱姣，陶涛.高压脉冲放电等离子体处理垃圾渗滤液，武汉城市建设学院学报[J]2001，18（3）；

[3]齐旭东，黄超，高军凯，李志会，Qi Xudong，Huang Chao，Gao Junkai，LiZhihui.脉冲电晕放电等离子体技术在水体污染控制中的研究现状及前景展望[J].工业水处理2008，28（8）；

[4]陈海燕.脉冲气相放电降解水中TNT的影响因素及机理[D].杭州：浙江大学，2008；

[5]兰生.脉冲放电下苯酚降解机理研究 [D].哈尔冰：哈尔冰理工大学，2009；

[6]于治森.脉冲放电处理硝基苯废水的实验研究和机理分析[D].武汉：华中科技大学，2007；

[7]周爱姣，陶涛，李胜利，杨长河.等离子体技术用于垃圾渗滤液预处理[J]中国给水排水 2003，19（11）；

[8]郭香会，李劲，叶齐政，齐军.脉冲放电等离子体处理硝基苯废水的实验研究[J]高电压技术2001，27（3）；

[9]韩育宏，陆彬，李庆，刘志强. 高压脉冲放电等离子体水处理技术研究进展[J]河北大学学报（自然科学报）2007，27；

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