高壓放電低溫等離子體技術(shù)是一種全新的高級(jí)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(diǎn)研究了新型放電反應(yīng)器對(duì)染料脫色過(guò)程的影響因素、處理效果、反應(yīng)機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)過(guò)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(jì)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(diǎn)在電壓達(dá)到放電電壓時(shí),霧化狀態(tài)水溶液開(kāi)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(chǎng)與外加電場(chǎng)的疊加,霧化放電空間內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)得到增強(qiáng),在霧化區(qū)域內(nèi)形成許多小細(xì)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(dá)到最佳的能量利用率。 (2)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí),反應(yīng)器體系中兩個(gè)放電系統(tǒng)霧化均很充分,按質(zhì)量計(jì)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(dá)到100μm以下。霧化液滴較小,其比表面積則較大,具有強(qiáng)大的表面能,液滴表面的染料分子能充分和放電過(guò)程中生成的活性基團(tuán)物質(zhì)接觸、氧化、分解。 (3)分析測(cè)定了反應(yīng)器工藝參數(shù)和染料溶液性質(zhì)對(duì)其脫色的影響。隨電壓的升高和處理時(shí)間的延長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)染料溶液的脫色效率不斷增大,且電壓越高,溶液短時(shí)間脫色效率提高越迅速,但當(dāng)脫色效率達(dá)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(duì)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(kāi)始前1個(gè)小時(shí)高于堿性和酸性條件,而隨著實(shí)驗(yàn)的延長(zhǎng),超過(guò)一小時(shí)以后,初始pH較高(≈12)的脫色率升高。 (4)分析測(cè)定了反應(yīng)器工藝參數(shù)對(duì)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(shí),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(shí),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(duì)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(lái)越小。在電壓為20kV、25kV時(shí),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(duì)染料溶液脫色率和能量效率的影響,確定本實(shí)驗(yàn)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(cè)定分析了直接大紅染料脫色過(guò)程。通過(guò)測(cè)定直接大紅染料脫色過(guò)程中的溶液pH、TOC、紫外可見(jiàn)光譜圖和高效液相色譜圖可知,在脫色處理時(shí)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(jiàn)光譜圖和高效液相色譜圖,說(shuō)明染料分子雖然已經(jīng)遭到破壞,染料分子內(nèi)強(qiáng)生色基團(tuán)偶氮雙鍵確實(shí)遭到攻擊,大的共軛體系被破壞,染料分子被脫色,卻沒(méi)有完全被徹底礦化成二氧化碳等無(wú)機(jī)物,出現(xiàn)了芳環(huán)和萘環(huán)結(jié)構(gòu)的累積現(xiàn)象,可見(jiàn)完全破壞芳環(huán)比破壞偶氮雙鍵發(fā)色團(tuán)更困難。 (7)分析了等離子體對(duì)染料脫色的機(jī)理。在反應(yīng)器放電極加入高電壓后,空氣中的電子在電場(chǎng)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(shí),氧化染料分子、溶解在液滴內(nèi)部與染料分子反應(yīng);同時(shí),由噴嘴噴出的液體在交流高壓電場(chǎng)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(dāng)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(chǎng)內(nèi)霧化下落的液滴接觸,繼續(xù)發(fā)生表面氧化,同時(shí)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(shí),氧化反應(yīng)仍在繼續(xù)。 (8)分析建立了動(dòng)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(shí)驗(yàn)條件下,溶液中直接大紅染料的質(zhì)量濃度隨反應(yīng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)指數(shù)性降低。等離子體對(duì)染料脫色的動(dòng)力學(xué)過(guò)程受實(shí)驗(yàn)條件限制。在染料脫色效率較高的實(shí)驗(yàn)條件下,脫色過(guò)程符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。此時(shí)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(jí)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(shí)，兩電極間所加電壓超過(guò)其最小擊穿電壓，電極生可達(dá) 103-105A 導(dǎo)通電流。此時(shí)兩極間電壓急劇降低。發(fā)出極強(qiáng)的所受太陽(yáng)光強(qiáng)的幾千倍，伴隨很強(qiáng)的紫外輻射，和高達(dá)上萬(wàn) K 的高夠大時(shí)，火花放電轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹�，弧光放電即為�?qiáng)流放電。高電壓，產(chǎn)生熱等離子體，伴隨而來(lái)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(duì)水中各種有機(jī)物進(jìn)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(chǎng)，被處理的水以連續(xù)相或分散相通過(guò)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(shí)介質(zhì)的存在，還有助于保護(hù)電極，延長(zhǎng)電極中產(chǎn)生的電子密度在 1015/cm2，電子能量遠(yuǎn)高于電暈放電平均電子能使有機(jī)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(jí)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(yán)重，要求的放電反應(yīng)器材料必須有好的耐沖擊壓強(qiáng)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(shí)間和距離來(lái)獲得充分的速，在電場(chǎng)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(dòng)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(yuǎn)大于氣體，這就造成了在液體中放電機(jī)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(kuò)展到更廣范圍，使降解污染物的效率較低。電極浸沒(méi)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(jiǎn)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(méi)式——以液相為主體電極浸沒(méi)式是將兩電極或只將高壓電極浸沒(méi)在被處理的水中。這種方式又可以分為9
【引證文獻(xiàn)】

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

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本文編號(hào)：2862533