等離子體技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用

1、等離子體技術(shù)在印染廢水處理中的應(yīng)用江四化工2011年第3期等離子體技術(shù)在印染廢水處理屮的應(yīng)用 曹志榮楊長(zhǎng)河丁壟張彬峰曾瑤 （南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，南昌330031） 摘要:在總結(jié)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)等離子體技術(shù)及其在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)行 了介紹和綜述.主要介紹了高壓脈沖放電法，輝光放電法，滑動(dòng)弧放電法及介質(zhì)阻 擋放電法的基本特性以及該技術(shù)處理廢水的研究和應(yīng)用進(jìn)展，并探討了該技術(shù)現(xiàn)存的主 要問(wèn)題，指岀了今后發(fā)展的前景.關(guān)鍵詞:等離子體技術(shù)高壓脈沖放電法輝光放電法滑動(dòng)弧放電法介質(zhì)阻擋 放電法印染廢水前言 印染廢水主要指印染廠退漿，煮練，漂白，絲光，染 色，印花，整理等加工工序中產(chǎn)生的混合廢水.該

2、類廢 水的特點(diǎn)是水量變化大，色度深,ph值變化大,有機(jī)污 染物含量高，水質(zhì)復(fù)雜多變.近年來(lái)，隨著化學(xué)纖織物 的發(fā)展及仿真絲的興起,使得印染廢水中包含大量化 工助劑及人造絲皂化物等牛物難降解有機(jī)物,降低了 廢水的可生化性，增加了處理難度.針對(duì)印染廢水這 種特點(diǎn)，傳統(tǒng)的處理工藝已難以適應(yīng)該類廢水處理. 我國(guó)是紡織印染行業(yè)大國(guó)，據(jù)資料統(tǒng)計(jì):我國(guó)每年 約有70億噸印染廢水排放j.這些廢水如果不經(jīng)處 理或處理未達(dá)標(biāo)排放的話,不僅育接危害人們的身體 健康，而且嚴(yán)重破壞水體，土壤及生態(tài)，將造成不可想 象的后果.從20世紀(jì)中期起，環(huán)保工作者進(jìn)行了大量的研究，形成了一些典型的處理方法，主要包括膜分離 法，生物強(qiáng)

3、化法，活性炭吸附法及高級(jí)氧化法等j. 在這些處理技術(shù)中,高級(jí)氧化技術(shù)一自由基反應(yīng) 成為研究熱點(diǎn)其作用機(jī)理是通過(guò)產(chǎn)牛?0h自由基， 誘發(fā)一系列a由基鏈反應(yīng)，攻擊廢水中各種污染物，最 終將污染物降解為二氧化碳和水等離子體高級(jí)氧化 技術(shù)在放電時(shí)產(chǎn)生大量的?oh自由基，具備大規(guī)模 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能力，并且有適用性廣,有機(jī)物去除率高和無(wú) 二次污染等特點(diǎn).1等離子體概述等離子體是除氣態(tài),液態(tài)及固態(tài)之外的第四種物 質(zhì)存在形式，是由激發(fā)態(tài)原子，正負(fù)離子，電子，自由基 及中性粒子組成的導(dǎo)電流體，呈電中性一般等離子 體可分為平衡等離子體和非平衡等離子體兩大類當(dāng) te(電子溫度)二ti(離子溫度)時(shí)，稱為平衡等離子 體，

4、這類等離子體不僅電子溫度高，重粒子溫度也高， 因此也可稱為熱等離子體.當(dāng)te(電子溫度)ti (離子溫度)時(shí),稱為非平衡等離子體，其電子溫度高達(dá) 1ok以上,而離子和原子之類的重粒子溫度卻可低到 300-500k,因此按其重粒子溫度也可稱為低溫等離子 體由于低溫等離子體較熱等離子體更易在常溫常 壓下產(chǎn)生,因而具有比較廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景如 目前研究比較熱門(mén)的幾種低溫等離子體處理技術(shù):高 壓脈沖放電法(hi曲一 volmgepulsedischarge),輝光放 電法(glowdischarge),滑動(dòng)弧放電法(glidingarcdis? charge)及介質(zhì)阻擋放電法(dielectricba

5、rrierdis一 charge)o 2高壓脈沖放電法高壓脈沖放電等離子體廢水處理技術(shù)主要是指放 電過(guò)程中產(chǎn)生的高氧化活性物質(zhì)（如?oh自由基及 oho等）的氧化作用，紫外光輻射，高能電子的轟擊 作用等，達(dá)到將有機(jī)污染物質(zhì)降解的目的.放電反應(yīng)器是高壓脈沖放電方法中的核心部分， 它的結(jié)構(gòu)好壞直接決定了該方法對(duì)水處理的效果理 想的放電反應(yīng)器不僅要易于發(fā)生放電反應(yīng)產(chǎn)生低溫等 離子體，而且能使其和水充分接觸，達(dá)到充分去除水屮 污染物的目的.目前常用的放電反應(yīng)器形式主要有如 下兩種.針一板式放電反應(yīng)器這種結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器由兩塊相互平行的相距一定距 離的極板構(gòu)成上板布有細(xì)針狀高壓屯極，下面板（待 處理液面）接

6、地.施加脈沖高壓時(shí)，兩電極之間的氣 體因放電作用而導(dǎo)通利用放電作用產(chǎn)牛的強(qiáng)氧化自 由基，紫外光,高能電子的轟擊作用，使廢水得到處理. 這種放電反應(yīng)器因?yàn)閮呻姌O間的電場(chǎng)不均勻而易于發(fā) 生放電，缺點(diǎn)是待處理廢水的厚度有一定的限制，太厚 容易使下層廢水得不到處理，影響處理效果.（2）點(diǎn)一板式放電反應(yīng)器目前的研究中，這種形式的反應(yīng)器應(yīng)用得比較廣 泛該類反應(yīng)器結(jié)構(gòu)靈活，可做成方形，圓形等各種型 式反應(yīng)器內(nèi)也可以通人空氣，氧氣或者其他的氣體. 由于這種結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器高壓電極直接放在水中，隨著 2011年9月等離子體技術(shù)在卬染廢水處理中的應(yīng)用47 放電的發(fā)生，產(chǎn)生的活性自由基，紫外光線等可直接與 廢液接觸，利

7、于對(duì)廢水的處理往反應(yīng)器中通入氣體，方面不僅有利于放電的發(fā)生，而且可以促使產(chǎn)生更 多的強(qiáng)氧化性自由基，如?oh自由基等，另一方面曝 氣可以使水發(fā)生機(jī)械攪拌作用,使水充分與產(chǎn)生的活 性自由基接觸，利于傳質(zhì)作用的發(fā)生.anto等【7采用單針一板式反應(yīng)器系統(tǒng)處理芝加哥 天藍(lán),羅丹明b和甲基橙三種染料的模擬廢水,得到了 很好的脫色效果.sidney首次采用單針一板式反 應(yīng)器降解水中的蔥釀染料，脫色率達(dá)到80%以上，當(dāng)向 反應(yīng)器屮通入n2和0:時(shí),發(fā)現(xiàn)有0,生成.張麗等j 采用脈沖放電等離子體技術(shù)處理偶氮染料廢水，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明,脈沖放電對(duì)甲基橙和剛果紅染料脫色效果 顯著,提高峰值電壓，脈沖頻率及加入h0

8、均有利于 染料的脫色，增加電導(dǎo)率將不利于染料的去除李勝 利等【1伽采用高壓脈沖放電等離子體處理印染廢水，結(jié) 果表明在溶液初始ph值小于9.04,處理吋間為30s 時(shí)，水樣上清液cod降低了 42.6%.采用色質(zhì)聯(lián)用法 檢測(cè)處理后染料溶液的中間產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)有有機(jī)酸生成， 說(shuō)明該方法能有效破壞染料分子中的苯環(huán)或荼環(huán)結(jié) 構(gòu).3輝光放電法輝光放電水處理技術(shù)就是利用外加電場(chǎng)作用，在特定的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)，當(dāng)兩極間的電壓足夠高時(shí)，陽(yáng) 極針狀電極與周?chē)娊庖褐g產(chǎn)生輝光,紫外線，沖擊 波，使周?chē)軇┭杆倨纬煞€(wěn)定的蒸汽鞘,持續(xù)產(chǎn) 生如h?,?oh,h02等高活性粒子，這些高活性粒 子在普通的電化學(xué)電解反應(yīng)中

9、不易得到，但在輝光放 電中可源源不斷地產(chǎn)生它們很容易被輸送到電極附 近的溶液中，可使廢水中的有機(jī)物徹底降解為co2,h: o和簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)鹽，特別適用于有機(jī)廢水的消毒和凈 化.陸泉芳等【1開(kāi)展輝光放電等離子體技術(shù)降解伊紅 b模擬染料廢水的研究，結(jié)果表明，伊紅b被降解為 co,h:o和簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)鹽;降解homin后，脫色率達(dá)到 95%;反應(yīng)后溶液ph降低，說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中有竣酸類 物質(zhì)牛成;并得到了動(dòng)力學(xué)常數(shù)k=0.0206rain，降解 過(guò)程符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征.高錦章等-采用輝光 放電等離子體技術(shù)對(duì)結(jié)晶紫進(jìn)行了降解脫色處理，實(shí) 驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高屯解質(zhì)濃度和増加電壓均可提高結(jié)晶紫 的脫色效果,當(dāng)加入0.

10、4mmol/lfe2,5min時(shí)結(jié)晶紫的 脫色率由原來(lái)的13.64%增加到91.36%,在最佳實(shí)驗(yàn) 條件下,40rain內(nèi)的脫色率達(dá)到93%,降解率為74%. 莫玉琴等利用輝光放電等離子體技術(shù)降解橙黃g 偶氮染料廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)催化劑時(shí)，橙黃g降 解60rain后，降解率達(dá)到71.68%;催化劑fe2和m1i2 存在時(shí)降解率分別達(dá)到92.48%和89.69%,cod去除 率分別為95.85%和63.44%;4滑動(dòng)弧放電法滑動(dòng)弧放電是一種可在常壓下產(chǎn)生非平衡等離子 體的新型低溫等離子體技術(shù)，它可以利用大氣流，形成 等離子體流，能夠轉(zhuǎn)化為能量更高的等離子體（轉(zhuǎn)化 率可達(dá)75% 80%）產(chǎn)生更

11、多的活性粒子;此外電源 和反應(yīng)器裝置較簡(jiǎn)單，尺寸較小，操作容易，且價(jià)格低 廉,因而在水處理領(lǐng)域屮具有一定的優(yōu)勢(shì)”.李曉東等-開(kāi)展了氣液滑動(dòng)弧放電非平衡等離子 體降解高濃度苯酚模擬廢水的研究，研究表明，采用0 作為載氣能提高苯酚的降解效果，實(shí)驗(yàn)最終toc值為 44mg/l;增大氣液混合比,相應(yīng)的加強(qiáng)了廢水的霧化效 果,增大水氣接觸表面積，進(jìn)而提高了苯酚的降解效 果.劉亞納等11 .開(kāi)展氣液兩相滑動(dòng)弧等離子體降解酸 性橙ii的研究，探討了酸性橙ii的降解動(dòng)力學(xué)及降解 機(jī)理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電壓為10kv,載氣為0,氣體 流速為0.4m/h,廢水流量為20ml/min,電極間最窄處 距離為3.5ra

12、m,溶液濃度在300mg/l以下吋，滑動(dòng)弧等 離子體對(duì)酸性橙ii的降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律;酸性 橙ii的主要降解產(chǎn)物有乙酸,乙二酸，丙二酸等，并推 測(cè)岀酸性橙i【的降解機(jī)理.5介質(zhì)阻擋放電法介質(zhì)阻擋放電也叫無(wú)聲放電，介質(zhì)阻擋放電是用 頻率為50hz到mhz級(jí)的交流高電壓來(lái)啟動(dòng),在放電 空間插入絕緣介質(zhì)的一種氣體放電.也是產(chǎn)生大 氣壓非平衡態(tài)等離子體的一種可靠，經(jīng)濟(jì)的方法. 楊長(zhǎng)河等.御通過(guò)介質(zhì)阻擋放電對(duì)模擬i奎咻廢水進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可使水中嗤咻得到 有效降解，外加電壓及電源頻率越高，降解效果越好； 隆咻降解中間產(chǎn)物主要有5 一徑基卩奎咻,5,8 一二徑基 唾咻等.young

13、sunmok等【2在水中將廢水作為一個(gè) 電極，利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的高活性物質(zhì)及紫外光 直接作用于廢水，增大了等離子體與廢水的接觸面積, 提高了等離子體效率，而且廢水對(duì)電極還起到了冷卻 作用.鄭光明等采用平行板雙介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器 結(jié)構(gòu)對(duì)水相中氯酚的脫氯機(jī)理進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明,該方法可使水相屮的4 一氯酚得到有效降解，增加 外部電場(chǎng)強(qiáng)度可提高脫氯率;脫氯后的產(chǎn)物主要為較 易牛物降解的酚類和有機(jī)酸類.劉強(qiáng)等設(shè)計(jì)了一種 介質(zhì)阻擋放電同時(shí)處理廢液和廢氣的反應(yīng)器,結(jié)果表 明,甲苯在單獨(dú)處理和同染料廢水同時(shí)處理時(shí)都可達(dá) 到較高的降解效果，兩者同時(shí)處理時(shí)甲苯的降解效率 可達(dá)88.6%,并且在甲苯降解

14、效率基本保持不變的情 況下，該反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)染料廢水的同步降解;對(duì)濃 度為50mg?l活性艷藍(lán)處理60min后，降解率可達(dá) 95.4%,每小時(shí)處理量為35.8mg,該實(shí)驗(yàn)通過(guò)同時(shí)處理 甲苯和染料廢水提高了反應(yīng)器的能量利用效率，但由 江西化工2011年第3期于廢氣與廢液同時(shí)處理,可能會(huì)產(chǎn)生二次污染問(wèn)題. 王占華等采用放電極霧化介質(zhì)阻擋放電裝置對(duì)靛藍(lán) 二磺酸鈉染料溶液進(jìn)行脫色試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)空氣間 隙為30ram,電壓為30kv,處理吋間為時(shí),染料溶 液的脫色率可達(dá)95%以上;而且當(dāng)空氣間隙為30mm, 電壓為25kv,可在較低的能耗下實(shí)現(xiàn)較高的脫色率. 6等離子體處理印染廢水存在的問(wèn)題及建議

15、 目前,等離子體技術(shù)用于印染廢水處理尚處于探 索階段，還存在以下問(wèn)題:提高降解效果的針對(duì)性不 強(qiáng),物理化學(xué)參數(shù)在線檢測(cè)困難，且尚未確定所需的電 參數(shù);實(shí)踐應(yīng)用成本較高;大部分污染物的降解機(jī)理尚 無(wú)詳細(xì)的分析j.印染廢水的處理是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)今后 應(yīng)集中在各種放電方式及相關(guān)參數(shù)的研究上,尋求最 佳組合，優(yōu)化工藝參數(shù)，以獲取盡可能大的空間利用率 及等離子體與有機(jī)廢水的接觸面積;開(kāi)發(fā)高效低耗的 電源設(shè)備,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理且與電源相匹配的高性能反 應(yīng)器;降低成本和能耗，著眼于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，使其盡早實(shí) 現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化.參考文獻(xiàn)1 李家珍，染$4/染色工業(yè)廢水處理m.北京:化學(xué) 工業(yè)岀版社,1997.06

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