染料廢水等離子體處理技術的研究進展

張 其，杜勝男，米俊鋒，劉勝利

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

染料廢水等離子體處理技術的研究進展

張 其，杜勝男*，米俊鋒，劉勝利

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

綜述了產生等離子體的方法，除高壓脈沖放電法以及輝光放電法以外，還有電弧放電法，客觀認為介質阻擋放電更具潛力。闡明了等離子體的本質，以及降解染料廢水的原理和優缺點，簡單介紹了各類方法的發展現狀以及應用前景，同時在查閱國內外資料的基礎上列舉了相關實驗實例。

染料廢水；等離子體；放電；活性粒子；高壓脈沖

出于工業發展的不斷進步，不斷增加的工業廢水問題亟待解決，而染料廢水問題更是重中之重。它脫色難而且對水環境危害嚴重，具有機物濃度、色度、無機鹽含量高，水質變化大，成分復雜，生物處理效果不理想等特點，傳統的污水處理技術已經難以完成對其達標排放處理,若不進行有效治理，將會嚴重影響人體健康和環境狀況，所以社會各界都非常重視染料廢水的處理問題[1,2]。近年以來,在水處理領域當中以產生等離子體為主的高級氧化技術日益蓬勃，并且諸多學者已經應用到了染料廢水方面進行研究。

1 等離子體的相關特性

等離子體是物體存在的一種特殊狀態，它區別于氣態，液態及固態，另外它的電離度超過0.1%，是由除大量的中性原子、光子和自由基以外，還有顯電性的電子和離子組成，正離子的正電荷數等于電子和負離子的負電荷數，整體以電中性表現的電流體[3]，在與周圍水分子接觸碰撞時，又會產生像H·、·OH、H2O2等等氧化性極強的活性粒子。這些強氧化性粒子可以通過反應，能夠高效快速的對廢水中的有機物進行處理。被用于染料廢水處理的具有操作裝置簡單，簡便，而且高效率，低成本，不引入二次污染等特點的等離子體技術是一種高新技術[4-7]。

2 廢水處理方法

2.1 高壓脈沖放電法

高壓脈沖放電法（High-voltage pulse discharge)是指水處理反應器中疊加一個高壓脈沖，電壓升高時間短，脈沖寬度窄，所以高壓脈沖產生了高能電子，該類電子在與水分子碰撞時，又產生了氧化性極強的活性粒子（·OH, H·等），這種具有強氧化性的活性粒子可以反應去除廢水中的有機物[8,9]。在處理多種染料廢水時，胡祺昊[10]等采用了高壓脈沖放電法，并得出了經該方法處理非常理想的實驗結果。Sidney J[11]第一次采用單針-板式反應器來對水中的蒽醌染料進行降解，僅僅有不到20%的染料未被降解，且在給反應器里沖進N2和O2時會有O3生成。對于羅丹明、芝加哥天藍B和甲基橙三種染料混合的模擬染料廢水的，Anto等[12]使用單針-板式反應器處理，脫色效果較為理想。然而在對酸性橙II染料廢水進行實驗處理時，王慧娟等[13]采用多針一板式反應器的高壓脈沖放電法對酸性橙II染料廢水進行降解，實驗結果表明，采用這種方法對其進行處理，具有十分顯著的脫色效果，除此之外在電極間距為0.25 m，脈沖電壓30 000 V，脈沖頻率是75 Hz的情況下，處理1小時后，這種染料廢水的脫色率竟然高達了92.7% 。

高壓脈沖放電法處理印染廢水降解效率較高，可以說應用前景廣闊。然而目前該方法存在的幾點局限亟待解決，譬如能量利用率較低、耗能較高、還有電源問題。然而這些局限性恰恰制約了其對有機染料廢水的工業化發展[14]。

2.2 輝光放電法

輝光放電法(Glow Discharge Electrolysis)是低氣壓放電，即在高壓電場的調控下，當反應器內陰陽兩極間的電壓達到足夠使周圍溶劑和針狀陽極電極間產生閃光并伴隨會產生紫外光和沖擊波，周圍溶劑由于汽化將產生強氧化性活性粒子·OH, H·,H2O2等，這些強氧化性粒子將待處理有機物徹底降解為二氧化碳，水和無機鹽[8]。高錦章等[15]對茜素紅的處理的實驗就是采用的輝光放電法，結果顯示，在反應液酸堿性接近中性時，用輝光放電法處理1h后，就能將目標染料完全降解掉，而在該過程中溶液酸性增強，說明此實驗中產生了酸類物質。在對伊紅B模擬染料廢水采取實驗降解時，陸泉芳等[16]使用輝光放電法，結果表明，伊紅B被徹底降解;反應了1 h 50 min后，僅相差5%就脫色完全，pH下降。同樣使用了輝光放電等離子體法處理主要污染物為橙黃G偶氮的廢水，莫玉琴等[17]的實驗結果顯示，在無催化劑的情況下，在對橙黃G處理1小時后，未降解率為28.32%；同樣的時間下，催化劑Fe2+存在時未降解率僅僅為7.52%和催化劑MnZ+存在時未降解率也只不過10.31%。

輝光放電法在染料廢水的處理應用中具有降解效率高和降解時間短等優勢。但在工業染料廢水的處理應用中尚未成熟,至今還存在許多問題，例如電極易被氧化、成本難以降低等，對該技術的發展及應用產生了限制作用[9]。

2.3 滑動弧放電法

正滑動弧放電法(Gliding arc discharge)這種新型低溫等離子體技術產生非平衡等離子體能夠在常壓下進行[18]。在一對弧狀電極間施加高壓，至使在電極最窄處擊穿，從而形成放電電弧，再通入氣體把電弧向上推動，使得電弧長度在移動中不斷增大，在電弧的長度達到最大時，該電弧失去，同時新的電弧立即生成，并不斷增大。產生的高能電子及高活性氧化物將有機污染物氧化、分解。與其他放電方法相比，大氣流量可以利用在該技術當中，來形成等離子體炬，從而將會更廣泛的應用大氣壓非平衡等離子體[8-9]。嚴建華等[19]對甲基紫的處理實驗研究以滑動弧等離子體法的形式進行開展，為了對甲基紫的降解率及降解產物進行了深入研究，他們分別在空氣、N2和O2三種氣氛下進行了實驗，實驗結果顯示，甲基紫在N2環境下的處理效果要略遜于在空氣和O2條件下；·OH是在這三種不同的氣體環境下放電產生的數量相對最多的自由基。在對降解高濃度苯酚的研究當中，李曉東等[20]就采用了氣液滑動弧放電非平衡等離子體法，結果表明，在以 O2為載氣的情況下可以充分利用放電產生的高能粒子，增強苯酚降解的程度，使用該方法增大了氣水混合程度，廢水的霧化效果也相應的得到了加強，實驗最終的TOC值由300 mg/L下降到44mg/L;目標染料的降解效果也會得到提高。Moussa D[21]對核廢棄有機溶劑三磷酸丁酷的處理采用液相處理裝置，而對降解產物進行分析時采用核磁共振、氣相色譜和紅外光譜，發現在降解過程當中 HO·起主要作用，在降解動力學中處一級，CO2和 H3PO4為其主要降解產物。E.B.Tsagon Sobze[22]等人將甲苯和乙酸乙酷液體中總有機碳的90%轉化為了CO2和CO，他們所采用的就是這種液相處理裝置。

滑動弧放電法的優點有尺寸較小，操作方便，電源和處理裝置簡單等，因此應用領域十分樂觀。但鑒于該技術水平仍然屬于初級層面，要想在實際工業廢水的處理中切實投入，尚應該對該技術進一步開發[9]。

2.4 介質阻擋放電法

介質阻擋放電法( Dielectric barrier discharge)即在一個或兩個電極上添加上電介質，或者可以把介質吊在放電空間的間隙。當把足夠高的交流電壓通入在放電電極上時，兩電極間的氣體被高氣壓打穿，從而產生電離放電的現象。在水中應用介質阻擋放電形式，其目的是避免在高電導情況下回路中產生漏電的電流。在介質存在的情況下，有利于兩側電極，從而提高電極的使用時長[3]。

而對靛藍二磺酸鈉染料廢液進行的脫色降解，采用介質阻擋霧化放電裝置，王占華等[3]獲得結果顯示，極板間電壓為30 000 V，當極間間隙為3 cm,反應時間1 080 s時，試劑的脫色率超過95%；而且在空氣間隙為3 cm，電壓是25 000 V時，能夠在消耗較低的能量下實現較好的脫色效果。采用介質阻擋放電原理的劉強等[23]設計出能夠將廢液和廢氣同時進行處理的裝置。實驗結果表明，只降解甲苯時效果良好，在降解甲苯和染料廢水混合液時也能夠達到較為理想的降解效果。Young Sun Mok等[24]把廢水作為一個電極，為了提高廢水與等離子體的接觸面積，將介質阻擋放電過程當中的活性粒子以及紫外光直接對廢水進行處理作用，等離子體效率也得到了提高，并且廢水對電極還有降溫作用。

對于介質阻擋放電系統的研究尚屬實驗研究階段，對于推廣到實際污水處理當中仍需進一步研究[3]。

3 結束語

大多數的研究顯示利用等離子體處理染料廢水具有高效率，時間短等優點，無論等離子體以何等設備、何種方法產生，憑借它的高氧化性，利用·OH、H·等粒子都能將有機染料快速高效的降解，但是利用等離子體降解染料廢水技術尚未成熟。隨著工業水平的不斷提高，染料廢水逐年增長，所以染料廢水處理急需解決。這就要求開發出既沒有二次污染又運行簡單而且費用低高效率的處理工藝，來緩解當前局勢，享受技術革新帶來的改變。因此我們必須加快技術革新的步伐，讓新技術早日造福人類。

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Research Progress in Dye Wastewater Plasma Treatment Technology

ZHANG Qi，DU Sheng-nan*，MI Jun-feng，LIU Sheng-li
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The methods for generating plasma were reviewed, including the high-voltage pulse discharge, glow discharge, arc discharge, dielectric barrier discharge. The nature of the plasma was clarified as well as the degradation principles of dye wastewater, advantages and disadvantages. Development and potential application of various types of methods were introduced, relevant experimental examples were listed after checking domestic and international data.

dye wastewater; plasma; discharge; active particles; high voltage pulse

X 511

A

1671-0460（2016）11-2625-03

2016-05-09

張其（1994-），男，河北衡水人，研究方向：主要從事能源環境方面研究。E-m ail：1753125137@qq.com。

杜勝男（1984-），女，講師，博士，研究方向：從事三廢治理及能源方面工作。E-m ail：dusn808@163.com。