高压脉冲放电等离子体水处理技术研究进展

高压脉冲放电等离子体水处理技术研究进展

韩育宏1,陆　彬2,李　庆1,刘志强1

(1.河北大学物理科学与技术学院,河北保定　071002;2.天津大学环境科学与工程学院,天津　300072)

摘　要:水中高压脉冲放电可引起多种物理和化学效应,该技术处理废水具有高能电子、紫外线、臭氧等多因素的综合作用,是集光、电、化学等多种氧化于一体的新型水处理技术,具有良好的发展前景.本文介绍了这一技术在水处理方面的技术原理、高压脉冲电源、有机污染物的降解以及催化剂的应用等方面的研究进展,并提出了此技术存在的问题和前景.

关键词:高压脉冲放电;等离子体;高级氧化技术;废水处理

R esearch on W astew ater T reatment

by High 2voltage Plused Discharge Plasm a

H AN Y u 2hong 1,LU Bin 2,LI Qing 1,LI U Zhi 2qiang 1

(1.College of Physics Science and Technology ,Hebei University ,Baoding 071002,China ;

2.College of Environmental Science and Technology ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China )

Abstract :The pulsed high 2voltage discharge in water leads to both physical and chemical processes.The processing technology has the comprehensive action of high 2energy electron ,ultraviolet light ,ozone etc.The technology that integrates light ,electronic and chemical oxidation into one process has a good development prospect.The paper discusses the mechanism ,high 2voltage pulsed power ,degradation of organic pollutant and application of catalyst of the technology.Then we puts forward the problems and application of the technology in wastewater treatment.

K ey w ords :pulsed high 2voltage discharge ;plasma ;advanced oxidation technology ;wastewater treatment 目前水污染治理中广泛关注的问题之一是对难降解有机物得处理,以羟基自由基作为氧化剂的高级氧化技术是去除难降解的有机污染物的有效办法.在众多的高级氧化技术中,高压脉冲体放电等离子水处理法已引起国内外许多研究者的关注.

高压脉冲放电等离子体水处理技术几乎是各种高级氧化技术的天然组合,具有广泛的应用前景[1],影响处理效果的因素很多,例如产生等离子体的方式、反应器结构、反应过程中各参数的控制等.到目前,还没发现有工业化应用的等离子污水处理设备,所作的研究都是为等离子体降解水环境中的某些污染物特别是有机污染物提供了新思路.本文主要介绍高压脉冲放电等离子体降解的机理、高压脉冲电源、有机污染物的降解以及催化剂的应用等方面的研究进展,并提出展望.

1　高压脉冲放电等离子体技术的作用机理

高压脉冲放电是常压下产生等离子体的主要方法,水中高压脉冲放电脉冲前程短,脉冲宽度窄,因而在电场内不使离子加速的情况下,单使电子加速,从而形成无需屏蔽的高能自由电子,这些高能自由电子碰第27卷　增刊

2007年　10月河北大学学报(自然科学版)Journal of Hebei University (Natural Science Edition )Vol.27Supp.Oct.2007

撞水分子,促使水分子激发裂解或电离,产生等离子体通道.这一过程同时伴随着某些物理效应和化学效应[2-4],兼具高温热降解、高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光降解、光化学氧化、超临界水氧化、液电空化降解、高能电子、自由基、激发态分子等多种作用的综合效应,在等离子状态下发生的化学反应可突破传统化学的约束,发生一般条件下无法发生的反应.

放电作用产生的这些活性物质及其高能电子轰击污染物质中C —C 键及不饱和键,发生断键和开环等一系列反应,或使大分子物质变成小分子,从而提高难降解物质的可生化性,乃至最终将其去除.同时,放电过程产生的紫外光一方面单独作用分解有机物,另一方面和臭氧联合作用分解有害物质,其单独作用的机理是废水中的有机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,生成相应的游离基和离子,这些游离基或离子易与游离氧或水分子反应生成新的物质而被除去.在和臭氧联合作用时,无论在氧化能力还是在氧化速度上,都远远超过紫外光解或臭氧单独作用.另外放电通道内的高温、高压,在液体内产生的巨大冲击波也使有机物得到降解.

可见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,包括物理作用下有机物的直接降解和化学作用下活性物质对有机物的高级氧化降解.

2　高压脉冲放电等离子体技术研究进展

高压脉冲放电产生的等离子体直接用于水处理始于1987年Clements 的开创性工作[5].20世纪90年代中期,各国学者在此领域的研究较为活跃,研究重点集中在放电的物理效应和化学过程的实验研究以及水体的杀菌消毒、难生化处理的污染物的降解、染料脱色的应用性研究.20世纪90年代中期以后,研究重点逐渐过渡到提高污染物的降解效率和等离子体反应器的能量效率方面.反应器的电极结构由最初的针-板结构发展到线-板、线-筒、针-筒结构等,个别反应器已进入放大实验阶段.放电模式涵盖了辉光放电、电晕放电、流光放电、火花放电、弧光放电等;放电空间从液相发展到气相、气液两相、气液固三相.在放电的影响因素、活性物种的测定、产物的收集及鉴定方面做了大量的工作,开发了单一污染物的反应动力学模型;研究过程也从单一脉冲放电逐步向与催化剂或其他工艺联合处理方向发展.

2.1　高压脉冲电源

陡前沿脉冲电源系统是实现高压脉冲放电水处理的关键技术之一,为了持续稳定地生成和维持非平衡等离子体,纳秒级高压脉冲必须具有脉冲前沿陡峭、脉冲宽度窄的特点,以得到强电场并达到节能的目的.目前使用的电源与气体电晕放电相似,主要有两类:一类采用脉冲变压器来产生高压脉冲[6-7],另一类则采用火花隙或闸流管开关产生高压脉冲[8-10].

目前,对大功率脉冲电源的开发已成为众多学者研究的热点.Yan 等开发的平均功率为2.0kW 的火花隙脉冲电源[11],有谐振充电电路模块、传输线变压器、自触发火花隙开关做成.其单脉冲能量0.5～3.0J ,脉冲重复率为1～1000pps (pulse per second ),电源效率可达65～80%.大连理工大学静电研究所研制的火花隙脉冲电源已在工业实验装置中应用[12].最近,Pokryvailo 等[13]开发的平均功率3～5kW 的火花隙脉冲电源,单脉冲能量已述3～5J ,为此技术的工业化奠定了基础.

磁压缩开关脉冲电源开发方面的报道很多,大部分报道是中试装置电源.Mok 等[14]开发出平均功率10kW 磁压缩开关脉冲电源,峰值电压为140kV ,脉冲峰值电流达到3.3kA ,脉冲重复率为205～200pps ,自触发火花隙开关使用寿命为3×109次.

各电源的区别在于使用的脉冲形式开关不同,为实现产业化,大功率、窄脉冲、长寿命的高压脉冲电源以及电源与反应器的匹配尚在研究之中.

2.2　高压脉冲放电处理各种有机污染物

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,例如苯环类有机物(苯酚、苯、甲苯、氯酚、硝基酚、苯胺和多氯联苯等)、四氯乙烯、甲基叔丁基醚、乙烷基苯、葱醒和有机染料(如甲基蓝和甲基橙)等,其中还包括杀菌消毒的研究[15],在此简单介绍

・191・增刊韩育宏等:高压脉冲放电等离子体水处理技术研究进展