等離子體技術在廢水處理中的研究進展

李曉艷

摘 要：近年來，在社會經濟快速發展的同時，城市化進程逐漸加快，工業生產規模不斷擴大，產生大量的工業廢水與生活廢水，部分廢水中有大量復雜性有害物質，如果未經處理便排放，將會嚴重污染生態環境，對人們的生活產生極大的影響。因此，廢水處理工作極為重要，各項廢水處理技術也得到了進一步完善，被廣泛應用于廢水處理中。經濟、高效、無二次污染的廢水處理技術一直是業界人員研究的方向。其中，低溫等離子體技術是一項新型污水處理技術，整體處理效果良好，且適用范圍比較廣，受到了社會各界的廣泛關注。分析低溫等離子體技術對廢水進行處理的基本原理，并闡述了當前低溫等離子體技術的發展研究現狀，進一步探討了低溫等離子體技術在廢水處理過程中面臨的相關問題與應用前景，希望可以為相關從業人員提供借鑒。

關鍵詞：低溫等離子體；廢水處理；研究進展

基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃項目（18JK1102）

隨著工業化生產規模不斷擴大，工業生產過程中產生了大量的廢水與廢棄物，廢水處理至關重要。通過有限的成本，最大限度地保證廢水的排放符合排放標準、達到回收要求是當前污水處理的最終目標。但是廢水中含有大量有毒有害物質，很難有效降解，大量的難降解有機化合物以及表面活性劑等，也是保證廢水處理達到相關標準、要求的重點、難點所在。

對于廢水中存在的污染物，當前已經有多種處理技術和方法，且被廣泛應用于實踐研究中。高溫氧化、催化氧化以及低溫等離子體氧化等技術由于對難降解有機物有良好的去除效果，備受社會各界的關注。其中，低溫等離子體中包含強氧化性的羥自由基、激發態原子以及高能活性粒子，能夠有效降解有機物，在氧化過程中，也會發生沖擊波、紫外光輻射等物理化學反應，有助于加快有機物的進一步降解。近年來，由于其高效的降解能力且無二次污染，該技術受到了人們的廣泛關注。

1 低溫等離子體技術原理

等離子體主要是在相對特定的反應環境中，高壓脈沖電源注入能量到水中或者水面上產生的，當在電極和接地極兩者之間施加窄脈沖高壓時，脈沖電流會導致系統的溫度大幅度上升，從而形成一種放電通道，電子也會獲得巨大能量從而形成高能電子，和水分子碰撞發生解離，在高溫環境下，通道中會快速出現等離子體。低溫等離子體主要由高能電子、正負離子、強氧化性自由基以及激發態分子、原子等共同組成，在放電環境中，活性物質會使污染物中的不飽和鍵產生斷鍵與開環等反應，將廢水中的大分子物質逐漸分解，變為小分子，甚至將其完全礦化，有助于提升難降解物質的整體可生化性。

低溫等離子體技術具有高存儲能力、高密度等優勢，可將放電能量以電離能、分子動能等形式儲存在等離子體中，在反應過程中逐漸轉化為光能、熱能與壓力勢能等，在等離子體中形成壓力梯度，熱輻射壓力與膨脹勢能疊加，以水分子慣性為基礎，通過波的形式傳遞出去，從而產生沖擊波。等離子體熱能會使周邊的液體氣化，快速形成內能與膨脹勢能。氣泡中的溫度與壓強也會大幅度上升，當介質相對均勻時，動能和位能之間會發生轉變，產生膨脹與收縮的反應過程。等離子體逐漸消失，氣泡便會慢慢形成，其中存在許多離子、自由基、原子以及分子，氣泡破滅之后，會朝著周邊介質逐漸擴散。所以，等離子體中的熱能會朝著周邊傳輸，同時，高壓、高溫會使蒸汽泡出現，其在溫度與壓力的影響下可形成超臨界水。低溫等離子體受到高溫熱解、紫外光解、超臨界水氧化等多項技術影響，包含等離子體中有機物的降解和通道之外的氧化[1]。

2 低溫等離子體裝置

2.1 電源

低溫等離子體產生的基礎與關鍵技術是高壓電源，當前用于產生低溫等離子體的電源主要分為直流與交流兩種。直流高壓電源針對放電的實際連續性，又可劃分為高壓脈沖電源與高壓電源，后者可實現連續性放電，前者主要是通過放電開關以及火花隙開關、高容量電容共同形成放電回路，實現脈沖放電。當前關于交流放電所產生的低溫等離子體對廢水進行直接處理的相關研究不多[2]。

為了促進低溫等離子體廢水處理朝著工業化的方向發展，對大功率脈沖電源的研究與開發成為當前的重點研究方向。當前火花隙脈沖電源已經被廣泛應用于實踐中。平均功率2 kW的脈沖電源，也為該項技術的工業化發展與應用提供了保障。

2.2 反應器

低溫等離子體對廢水進行處理的反應裝置是對電能進行化學轉化的重要場所，也是該技術的核心處理部分。目前，低溫等離子體在廢水處理過程中，主要是針對電極的整體結構差異性，包括線筒式反應器、泡沫式反應器以及介質阻擋放電式反應器等。

針板式反應器是目前應用最廣泛、相關研究最多的一種反應器，由針電極與板電極組成。針電極進行電極放電，其主要材料為不銹鋼，也有鋁、鉑等材質的放電材料。板電極主要用作接地電極，主要材質是不銹鋼，由于放電電極針的具體數目存在很大的不同，可分為單針板與多針板兩種反應器類型。針對放電介質存在很大不同的特征，又可以將其分為氣相放電以及液相放電兩種[3]。

氣相放電反應器的針電極位于板電極之上，兩者之間相隔一定距離，被處理溶液會在電極中流動，完成放電，同時，等離子體中的有效成分和液面的一些復雜污染物發生反應。多根針在相同平面中可共同組成多針放電電極。水中放電反應器針電極與板電極通常存在于溶液中，部分情況下，為了進一步探討在溶液中通入不同氣體對整體處理效果所產生的影響，會采用空心針電極對氣體進行引入。

棒式反應器的兩個電極都是以棒狀的形式存在，電極之間的距離非常短，當施加高壓電流之后，會逐漸形成電弧進行放電，從而逐漸產生等離子體，產生輻射以及紫外光的同時，伴有很強的沖擊波。這樣的反應器可用于殺菌、降解以及除銹，但是會存在電極腐蝕嚴重的情況，且影響放電，導致放電穩定性不高，等離子體中會產生活性物，其所產生的能量效率非常低。

線筒式反應器主要用于接地電極以及氣相放電，放置于反應器器壁上方，放電電極主要位于軸心的部位。西方國家最早采用該方法以及結構的反應器處理廢水，并深入研究了高壓脈沖殺菌方法。結果顯示，該結構的反應器和其他反應器相比，有顯著的效果。

環筒式反應器的放電電極以金屬為主，接地電極是金屬柱面，并在反應器中放置不銹鋼圓環，能夠有效改善等離子體針、板反應器針尖耗損的情況。數據顯示，增加環電極數目，可產生許多等離子體，但是如果數量在3個及以上便會出現火花放電[4]。

泡沫式反應器是一種新型放電反應器，在內部放置兩個多孔陶瓷擴散器，液、氣相都是可以從底部進入的，通過多孔陶瓷擴散之后，會產生大量泡沫，并逐漸進入放電區域。該方法也能夠有效彌補傳統方法的不足，提高整體放電效果，有效加強熱與傳質之間的交換，從而有效提升氧化劑產量。

介質阻擋放電反應器是比較常見的放電反應器統稱，主要是在反應器的電極上方覆蓋相應的絕緣介質，在兩電極之間增加高壓交變電之后，因為存在介質，處理對象在高壓下會出現均勻的絲狀流光放電。在放電過程中，電子能量遠遠高于平均能量值，使水分子、有機物分子等逐漸產生電離，激發活性粒子。該類反應器能夠產生很強的放電，同時能夠有效避免溶液與電極之間直接接觸，大幅度延長電極的使用壽命[5]。

3 低溫等離子體技術處理廢水的研究進展

通過低溫等離子體處理難降解廢水的相關研究仍處于發展階段，主要為單一化的模擬廢水，如染料、苯酚等，等離子體在去除廢水中有機物的過程中，和多種因素有密切的聯系，包括電極極性、放電頻率、pH、添加劑等。

3.1 液相放電處理廢水

液相放電主要指的是沒入水中的高壓電極與地電極在能量注入水中后會產生過氧化氫、臭氧等物質，早在20世紀80年代，國外便采用了針板式反應器，進一步研究了放電時的化學反應情況。結果顯示，在染料溶液中完成放電時，加入混合氣，降解率高達80%，隨后又有學者通過棒式反應器進行放電反應，對水中的氯酚進行處理，去除率為36%[6]。在之后的研究中加入了活性炭，并實時觀察對水中酚產生的影響。數據顯示，對于單獨放電以及活性炭酚的整體去除率顯著提高，學者認為其主要是因為活性炭的吸附作用，放電在活性炭表面誘發化學反應。隨后環筒式反應器在脈沖放電過程中，等離子流柱會有更大的通道，比單環放電電極反應器的整體效率更高，染料脫色率在95%以上，最終得出，苯是最難去除的物質，其實際去除率與溶液的濃度以及氧氣的實際流量有關。

3.2 氣相放電處理廢水

在施加電壓的情況下，兩電極之間的氣體介質會受到沖擊，所產生的非平衡等離子體擴散到液體中，和污染物發生反應。單針板反應器在施加非脈沖直流高壓時，可通過低氣壓放電，對水中的氯苯酚進行處理，并且能夠監測實際反應情況，有效提高放電電流、攪拌速率，降低pH，提高實際轉化率。在低氣壓環境下，放電過程需要更低的電壓，和常壓氣相放電相比，對于相同污染物的轉化與處理所需要的實際能量會更少。

4 目前存在的問題以及發展趨勢

當前對于低溫等離子技術在廢水處理中的相關理論研究是非常多的，但是對于不同的有機物以及廢水降解的報道比較少，廢水的作用機理以及相關影響因素對實際處理結果的影響相關研究遠遠不夠，而且實驗重復性也比較差。在實際應用過程中，降解效率低、能耗高等問題依然存在。今后的相關研究工作應當集中在相關參數以及放電方式等方面，不斷優化工藝，提升電源設備的高效性，保障工藝流程的設計合理性。

5 結語

低溫等離子體技術是一種新型高級氧化技術，具備電子輻射、高溫熱解以及臭氧氧化等多種效應的協同降解能力，可有效去除難降解物質，整體效果好，處理速度快，且沒有二次污染，在常溫常壓下可進行，在有毒廢水降解過程中具有顯著的優勢，應用前景非常廣闊。

[參考文獻]

[1] 楊宸偉.低溫等離子體水處理技術在廢水處理中的研究進展[J].西南給排水，2018，12（1）：22-23.

[2] 馬可可，周律，辛怡穎，等.低溫等離子體技術用于廢水處理的研究進展[J].應用化工，2019，48（1）：153-158.

[3] 馬東平.低溫等離子體在廢水處理中的應用及其機理的研究[D].蘭州：西北師范大學，2018.

[4] 龔詩，孫亞兵，鄭可，等.低溫等離子體技術處理有機廢水的研究進展與現狀[J].山東化工，2019，32（15）：11-12.

[5] 陸泉芳，俞潔.輝光放電等離子體處理有機廢水研究進展[J].水處理技術，2018，12（1）：22-23

[6] 韓育宏，陸彬，李慶，等.高壓脈沖放電等離子體水處理技術研究進展[J].河北大學學報（自然科學版），2018，27（增刊1）：190-194.