等离子体水处理技术 45页PPT文档

塘或灌溉
超等AOP技术→外排或灌
溉
80,000 ～ 120,000
80,000 ～ 120,000
500 ～3,000
300 ～ 1,000
1000 25,000以上
1000 1,500 ～ 2,000
3～7
5(沼气发电)
HRT（停留时间） 投资总成本(万元)
7天 1500 ～ 2000
5天 1,300
的运行成本较高。
等离子高级氧化(AOPs)污水预处理机
• 生活污水： 市政、大型酒店宾馆、 休闲旅游度假村的生活污水 处理及中水回用。
• 高浓度难生物降解工业废水： 如印染污水、电镀污水、造纸废水、化工污水、冶金 厂污水、石化污水、酒精制糖污水、淀粉厂污水、填 埋场垃圾渗滤液等。
• 医院污水消毒深度处理： 代替二级生化处理，代替二氧化氯、臭氧消毒。
• 微波放电的电离度高，气体具有更高的活化程度，因而能 在更低温度下获得和维持具有更高能量的等离子体，更适 合对温度敏感材料如有机薄膜的处理，但设备造价较高。
• 国内外现在已有许多利用微波放电的例子，如大连化学物 理研究所曾用微波放电来脱除一氧化氮。
高压脉冲放电等离子体
滑动弧放电等离子体
介质阻挡放电等离子体
甲基紫、苯酚和纺织品染料水溶液
辉光放电等离子体
苯、酚类水溶液（苯酚、硝基甲苯、1-萘胺、2，4二氯苯酚、苯、硝基苯、4-氯苯酚、苯酚、 甲苯酚、 邻苯二胺）；
染料模拟废水（茜素红、亮绿、甲基紫）
介质阻挡放电等离子体 苯、酚类水溶液（苯酚、氯苯酚、苯、甲苯、二甲
苯）；
染料模拟废水（靛蓝二磺酸钠、茜素红、酸性橙-7）
宇宙中90％物质处于等离子体态
星
极
云
光
太
阳
闪表ຫໍສະໝຸດ 电面美国宇航局提供的照片-----南极上空的椭圆形极光
人造等离子体
等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、 半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺 织、通讯等领域有广泛的应用。
• 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生 器；
水处理等离子类型
电晕放电 辉光放电 介质阻挡放电 滑动弧放电 射频微波放电
电晕放电
将电压加载在曲率半径很小的电极上，当针状电极上的电 位升高到一定程度时，针尖附近的强电场就使其周围的空 气产生电离，从而产生的局部放电甚至晕光的现象称为电 晕放电。
高压脉冲放电
• 高压脉冲放电是研究最多的电晕放电形式。 • 由高电压脉冲电源产生的极强电流在水中以极短的时间
核聚变装置中的等离子体
超 大 规 模 集 成 电 路
等离子体分类
等离子体
高温等离子体 如：聚变、太阳核心 （电子温度大于10000℃）
低温等离子体 （电子温度小于10000℃）
冷等离子体 如：极光、日光灯
热等离子体 如：电弧、碘钨灯
实验室常用的有热等离子体（由电弧、电火花或火焰产生）、 冷等离子体（由辉光放电产生）和混合等离子体（由电晕放电 或臭氧发生器产生）。
• 实验对象：
焦化废水和垃圾渗滤液
• 实验步骤：
将废水装入反应器中，经空心正电极送入压缩空气进行放 电，总的持续时间为30分钟，当放电进行到20分钟时进行 一次采样，然后放电结束时再次进行采样，最后将处理后 水样的各种指标与原水的指标进行对比从而得出一些结论。
焦化废水
实验结论
分析表明： •处理20分钟与处理30分钟水样的各项指标变化不大； •处理20分钟后各项指标的去除率：COD降低了62.2%，BOD 降低了65.2%，PH值基本保持不变。
高压脉冲等离子体水处理设备
•高压脉冲电源用于产生等离 子体； •反应器则利用产生的活性物 质以及伴随产生的热、光、 波等效应来净化水质。
国内等离子体水处理的反应装置图
辉光放电
• 利用外加电场作用，在特定的电化学反应器内，当两电极 间的电压足够高时，则产生明暗不一的区域，自由电子在 电场作用下加速。
等离子水处理技术
2019.10.15
主要内容
等离子体简介 等离子体氧化机理 水处理等离子体类型 研究现状 发展趋势
什么是等离子体
等离子体是物质第四态，是由大量的自由电子和离 子组成、且在整体上表现为电中性的电离气体。
固体 冰
液体 水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C
高效节能电源的研发 实际工业应用的反应器结构设计 低成本耐用电极的开发 组合工艺的优化
Thank you!
谢谢你的阅读
知识就是财富 丰富你的人生
•石英绝缘罩主要起着封闭反应区和绝 缘的作用。 •当接通两电极间电压，两电极间最窄 处通入的气体被击穿，形成电弧，在 从喷嘴喷出的高速气流推动下，电弧 向下移动，形成滑动电弧柱。 •这种反应器结构简单，成本低廉，因 此应用最广。
滑动弧放电
滑动弧放电的主要特点是: • 兼有热等离子体和非热等离子体的特性； • 滑动弧放电装置和电源结构简单，价格低廉，操作和维护
等离子体氧化机理
高能电子作用 臭氧氧化作用 紫外光分解作用
等离子体氧化机理
• 低温等离子体废水处理技术是一种兼具高能电子辐射、臭 氧氧化、紫外光分解等三种作用于一体的废水处理技术。
• 三种方法协同作用时，处理效果优于各方法单独作用。
等离子体化学反应过程
高能电子作用
首先是液下水分子发生电离与激发，在很短的时间内生成 离子，激发分子与次级电子，再生成反应能力极强的物质：
• 获得一定能量的电子与管内气体分子碰撞，使后者电离而 产生次级电子，电子再被电场加速又碰撞其它分子，如此 下去就产生连锁反应，最后达到维持放电正常进行。
优点： •对电源要求不高，普通的直流高压 电源即可； •可在高电导率废水下运行； •能量效率较高和没有电磁辐射。 缺点： •电极较贵； •电源以及反应器结构的优化设计需 要进一步研制。
• 河湖池塘景观水净化： 河流、湖泊、池塘富营养化水体除藻与提质治理。
• 循环水处理（减量化排放）
等离子处理高浓度工业污水效果图
从图中可以看出： 处理过的水样澄清透明，色度 上已达标； 水中的COD的去除率高达95%以 上，BOD的去除率在90%左右， 污水处理各项指标均已合格。
工业污水处理流程图
处理工艺
传统工艺
优点
耗电能低；投资低；无噪声
等离子组合工艺
处理成分复杂、难降解的高浓度 有机废水效果显著，且出水水质 稳定；全套处理设施占地面积小； 不受外界影响，设备运行稳定。
缺点
处理速度慢、周期长，效果不稳
定；受外在自然条件影响产生事 运行时有噪音；操作要求严格 故损失严重；占地面积很大。
未来的发展趋势
微波放电等离子体 高压脉冲放电等离子体
研究现状
等离子体类型
废水类型
高压脉冲等离子体
染料废水、垃圾渗滤液、焦化废水（含氰化物）、荧 光增白剂废水、特定环境中饮用水；
TNT（2，4，6-三硝基甲苯）、苯酚、苯胺、硝基苯 等水溶液。
滑动弧等离子体
印染废水、纺织废水、塑料和橡胶废水、啤酒废水、 皂化废液；
紫外光分解作用
• 紫外光作用原理是有毒有害物的分子吸收光子后进入激发 态，激发态分子返回基态时吸收的能量使其分子键断裂， 生成相应的游离基或离子。这些游离基或离子易与溶解氧 或水分子反应生成新的物质而被除去。
• 紫外光和臭氧联合使用时，臭氧在紫外光的照射下与H2O 反应生成了·OH，无论是在氧化能力还是在氧化速度上， 都远远超过紫外光分解或臭氧单独使用所达到的效果。
(纳秒级)向放电通道输入，形成电子雪崩，巨大的脉冲电 流使通道内形成高能密度，由此引起局部高温。 • 在放电过程中，电子与中性气体分子和原子进行非弹性碰 撞，使这些中性分子的激发、分解和电离更为强烈，产生 高氧化活性物质(·OH 、H2O2等活性粒子)、紫外辐射、高 能电子轰击等，达到去除有机物的目的。
滑动弧等离子一生化法结合的联合降解的工艺流程图 滑动弧放电等离子体-国内生化法降解有机废水的研究
实验结论
未经滑动弧处理的实际印染废水生化降解效果
经滑动弧处理5min的实际印染废水生化降解效果
经滑动弧处理10min的实际印染废水生化降解效果
滑动弧等离子体-生化法工艺优势及不足
优势： • 工艺投资成本和电极更换成本较低； • 占地面积小； • 工艺简单易于控制、高效、快速； • 降低废水的生物毒性，同时提高废水的可生化降解性。 存在的问题： • 等离子体工艺耗电量大、处理成本高，造成整个联合工艺
介质阻挡放电
• 有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。 • 介质阻挡放电中使用的绝缘层(阻挡介质)的典型材料主要
包括玻璃、石英、陶瓷、薄搪瓷或聚合物。
优点： •电极不易腐蚀（电极不直接与放电气体 发生接触）； •具有大规模工业应用的可能性（具有电 子密度高和在常压下运行的特点）； •可在大气压强下工作，而且可以防止在 放电空间形成局部火花和弧光放电（放 电表现为很均匀、漫散和稳定)。
• ·OH容易攻击高电子云密度的有机分子部位，加在有机分 子碳双键上，脱去有机分子上的一个氢，形成R·自由基， R·自由基又被水中溶解氧进一步氧化成ROO·自由基， ROO·自由基再发生一系列的反应，使水中污染物氧化和 分解，最终降解产物为二氧化碳和水。
RH ·OH R· O2 ROO·
CO2+H2O
垃圾渗滤液
实验结论
分析表明：
•处理20分钟与处理30分钟水样的各项指标变化不大。
•处理20分钟后各项指标的去除率：COD降低了52.4%， BOD降低了55.3%，PH值基本保持不变。
滑动弧等离子体
海宁某印染废水厂，废水中含有活性染料、酸性染料及直 接染料，以及浆料、助剂及无机盐类。废水在室温下放置 半月，水质达到稳定
H20─→·OH+eaq+·H+ H2O2+H3O +H2 并发生下列反e 应，生成游离氧、臭氧和·O+ H自由基：
O2─→2O─→2·OH O2（e+M）H+2OO─→O3（+M）
臭氧氧化作用
• 臭氧在水中时发生氧化反应，其氧化途径可由臭氧直接氧 化某些有机物，也可由其分解产生的中间产物·OH自由基 氧化有机物。
费用比较低； • 滑动弧放电过程中电能直接进入反应区域，产生一个充满
活性粒子的非平衡等离子体反应环境，超过80%的电能直 接被化学反应吸收； • 化学反应选择性好，进气不需要预处理。
微波放电
• 微波放电是电磁控制管产生的微波传入放电室，当放电室 内的磁场强度使得电子的回旋频率和输入的微波频率相等 时，微波使电子运动加速，促发等离子体。
缺点： •介质阻挡放电较适合于降解低浓度的有 机废水，但能耗较高； •需要研究有较高峰值电压，尽量短的电 压上升沿，以及更大的频率电源； •反应器的电极结构还需进一步优化。
滑动弧放电
滑动弧放电产生一种周期性摆动的大气压下非平衡等离子体。 与辉光和电晕放电相比，滑动弧放电能够提供更高的能量，产 生更多种类的活性粒子。
• 工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、 冶炼、加热、有害物处理；
• 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微 波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹。
人造等离子体
霓 虹 灯 管
等
等
离
离
子
子
电
体 电
弧 焊 接
弧
熔
炼
人造等离子体
等离子体增强化学气相沉积制备 的用于太阳能电池的非晶硅薄膜
射频和微波等离子体 亚甲基蓝水溶液
高压脉冲放电等离子体
用等离子体技术处理废水的实验研究 重庆大学 杨胜凡 2019
高压脉冲放电等离子体水处理装置
实验研究
• 高压脉冲等离子装置参数：
电压值U =70kV，辅助间隙d =50mm，放电主间隙D =40mm，放电频率f=1.5，反应器中安装5对电极。
以处理1000吨高浓度有机废水为例，对比分析两种工艺
处理工艺 工艺流程
原液COD(mg/l) 出水COD(mg/l) 日处理水量(t/d) 占地面积(m2/d) 单位废水运行成本 (元/吨)
传统工艺
等离子组合工艺
调配池→厌氧池→沉池→氧化池 隔栅→超等AOP技术→厌
系统→二沉池→溶气气浮→氧化 氧反应池→好氧反应池→