高壓放電低溫等離子體技術(shù)是一種全新的高級氧化技術(shù),逐漸被應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的研究。本論文重點研究了新型放電反應(yīng)器對染料脫色過程的影響因素、處理效果、反應(yīng)機理及其動力學(xué)過程。 本文的主要內(nèi)容和取得的研究成果及結(jié)論如下: (1)設(shè)計了新型放電低溫等離子體反應(yīng)器,其結(jié)構(gòu)包含介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)和電暈放電系統(tǒng)。此反應(yīng)器的優(yōu)點在電壓達到放電電壓時,霧化狀態(tài)水溶液開始放電,由于介質(zhì)層的存在,電荷在介質(zhì)表面積累,形成感應(yīng)電場與外加電場的疊加,霧化放電空間內(nèi)電場場強得到增強,在霧化區(qū)域內(nèi)形成許多小細絲狀流注放電通道,通道內(nèi)部形成大量的低溫等離子體活性物質(zhì),低溫等離子體活性物質(zhì)能緊密與染料分子接觸,形成低溫等離子體向被處理染料分子的最佳傳質(zhì)形式,全部低溫等離子區(qū)均被包括在處理水霧化區(qū)之中,低溫等離子活性物種最濃處也是處理水霧最密處,達到最佳的能量利用率。 (2)實驗測試并優(yōu)化了反應(yīng)器參數(shù)。結(jié)果表明,在介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)電極間距為30mm、電暈放電系統(tǒng)電極間距為25mm、電源電壓為25kV時,反應(yīng)器體系中兩個放電系統(tǒng)霧化均很充分,按質(zhì)量計算,大部分液滴的粒徑在100-500μm之間。放電狀態(tài)較好,甚至有些霧化液滴可達到100μm以下。霧化液滴較小,其比表面積則較大,具有強大的表面能,液滴表面的染料分子能充分和放電過程中生成的活性基團物質(zhì)接觸、氧化、分解。 (3)分析測定了反應(yīng)器工藝參數(shù)和染料溶液性質(zhì)對其脫色的影響。隨電壓的升高和處理時間的延長,實驗染料溶液的脫色效率不斷增大,且電壓越高,溶液短時間脫色效率提高越迅速,但當脫色效率達到較高水平后,脫色效率的提高變得緩慢。隨染料濃度的增大而脫色率減小。但絕對去除率隨染料濃度的增加而增加。酸性條件下,直接大紅染料溶液的脫色率最低;中性條件下,脫色率開始前1個小時高于堿性和酸性條件,而隨著實驗的延長,超過一小時以后,初始pH較高(≈12)的脫色率升高。 (4)分析測定了反應(yīng)器工藝參數(shù)對能量效率的影響。較低電壓的能量水平較高,隨著電壓的升高,能量效率水平反而下降。介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)的電極間距較小時,反應(yīng)器的能量效率水平較高,而隨著電極間距的增大,在低電壓階段能量效率迅速下降,而電壓升高時,不同電極間距的能量效率差異縮小。電暈放電系統(tǒng)電極間距對能量效率水平的影響差距不大,隨著電壓的升高這種差距變得越來越小。在電壓為20kV、25kV時,不同電極間距的能量效率水平幾乎相等。 (5)確定了反應(yīng)器最佳工作狀態(tài)。結(jié)合電極間距、電源電壓對染料溶液脫色率和能量效率的影響,確定本實驗反應(yīng)器最佳工作狀態(tài)是介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)的電極間距為30mm、電暈放電系統(tǒng)電極間距為25mm、電源電壓20kV。 (6)測定分析了直接大紅染料脫色過程。通過測定直接大紅染料脫色過程中的溶液pH、TOC、紫外可見光譜圖和高效液相色譜圖可知,在脫色處理時間(6h)范圍內(nèi),染料溶液的COD值增大, pH值持續(xù)下降,TOC值逐漸降低,結(jié)合紫外可見光譜圖和高效液相色譜圖,說明染料分子雖然已經(jīng)遭到破壞,染料分子內(nèi)強生色基團偶氮雙鍵確實遭到攻擊,大的共軛體系被破壞,染料分子被脫色,卻沒有完全被徹底礦化成二氧化碳等無機物,出現(xiàn)了芳環(huán)和萘環(huán)結(jié)構(gòu)的累積現(xiàn)象,可見完全破壞芳環(huán)比破壞偶氮雙鍵發(fā)色團更困難。 (7)分析了等離子體對染料脫色的機理。在反應(yīng)器放電極加入高電壓后,空氣中的電子在電場力的作用下,發(fā)生氣體放電產(chǎn)生大量活性物質(zhì),接觸到霧化液滴表面時,氧化染料分子、溶解在液滴內(nèi)部與染料分子反應(yīng);同時,由噴嘴噴出的液體在交流高壓電場的作用下,液滴發(fā)生畸變并產(chǎn)生液滴尖的微放電,產(chǎn)生了大量的活性物質(zhì)與液滴表面和內(nèi)部的染料發(fā)生反應(yīng),使其脫色;當荷電霧化液滴流至尖端,產(chǎn)生尖端電暈放電,又產(chǎn)生大量活性物質(zhì),它與在電暈電場內(nèi)霧化下落的液滴接觸,繼續(xù)發(fā)生表面氧化,同時H2O2和O3可溶解在液滴內(nèi)的活性物質(zhì)溶解在液滴內(nèi)部,隨液滴一起落入下貯水箱時,氧化反應(yīng)仍在繼續(xù)。 (8)分析建立了動力學(xué)方程。結(jié)果表明,在不同初始濃度、pH和電源電壓的實驗條件下,溶液中直接大紅染料的質(zhì)量濃度隨反應(yīng)時間的增加呈現(xiàn)指數(shù)性降低。等離子體對染料脫色的動力學(xué)過程受實驗條件限制。在染料脫色效率較高的實驗條件下,脫色過程符合一級反應(yīng)動力學(xué)。此時脫色速率常數(shù)隨染料初始濃度的增大而減小;隨電壓升高而增大,隨pH的增大而增大。
【學(xué)位單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

火花放電產(chǎn)生時，兩電極間所加電壓超過其最小擊穿電壓，電極生可達 103-105A 導(dǎo)通電流。此時兩極間電壓急劇降低。發(fā)出極強的所受太陽光強的幾千倍，伴隨很強的紫外輻射，和高達上萬 K 的高夠大時，火花放電轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹�，弧光放電即為強流放電。高電壓，產(chǎn)生熱等離子體，伴隨而來的是高溫，高壓，氣泡空穴效應(yīng)，紫外傳播等，激發(fā)產(chǎn)生大量的自由基。有效的對水中各種有機物進行快速阻擋放電處理的介質(zhì)阻擋放電是將兩電極的一側(cè)或者兩側(cè)鋪敷一層絕緣介質(zhì)高壓交流電場，被處理的水以連續(xù)相或分散相通過電極間，在大氣壓、散漫的絲狀流光放電。水中應(yīng)用介質(zhì)阻擋放電形式，主要是為了避回路中的漏電電流。同時介質(zhì)的存在，還有助于保護電極，延長電極中產(chǎn)生的電子密度在 1015/cm2，電子能量遠高于電暈放電平均電子能使有機物分子，水分子，氧氣分子產(chǎn)生電離、激發(fā)而產(chǎn)生許多具有高、 OH·、 0·、H202等。電形式如圖 1.1。

單純液相放電和水中鼓泡式液相放電。單純液相放電方式是高壓放電水處理所采取的最初級的一種形式，現(xiàn)在己經(jīng)漸漸汰，原因是此種放電大多是以電暈或火花放電的形式出現(xiàn)，造成的沖擊波和電極腐蝕應(yīng)嚴重，要求的放電反應(yīng)器材料必須有好的耐沖擊壓強及好的絕緣性，由于放電腐蝕成的電極間距減小而產(chǎn)生放電不穩(wěn)現(xiàn)象。從自由基及放電產(chǎn)生的有益反應(yīng)物種而言，于高壓電極產(chǎn)生的高能電子在脫離電極之后，還未有足夠的時間和距離來獲得充分的速，在電場中獲得的能量很少的前提下就與液體大分子發(fā)生碰撞，大部分的電子能量因動量守恒原理，而傳遞給液體分子。因液體的分子自由程很小，且分子間的約束力遠大于氣體，這就造成了在液體中放電機理十分復(fù)雜，電子雪崩很難發(fā)生。只有靠加兩極間的電壓和電極的曲率半徑、間距才能保證放電的產(chǎn)生，也便限制了放電的處理域。因在這種放電形式下，OH 自由基的形成主要是在放電形成的等離子通道中產(chǎn)生的由于自由基的壽命很短，幾乎在剛產(chǎn)生就消失，因此在等離子通道中難以擴展到更廣范圍，使降解污染物的效率較低。電極浸沒式放電反應(yīng)器的形式有針-板式、板-板式、針-筒式、環(huán)-筒式等。如圖 1.

各種放電形式如圖 1.1。圖 1.1 各種放電形式簡圖1.3.2.2 高壓放電水處理反應(yīng)器類型根據(jù)水和電極之間的接觸形式，及其放電介質(zhì)以液相或氣相為主體，將高壓放電水處理反應(yīng)器分為以下幾種形式：1）電極浸沒式——以液相為主體電極浸沒式是將兩電極或只將高壓電極浸沒在被處理的水中。這種方式又可以分為9
【引證文獻】

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2 文鳳;何勁松;李戎;;介質(zhì)阻擋放電等離子體對印染廢水的脫色處理[J];印染;2012年08期

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本文編號：2862533