放电处理废水的研究

放电处理废水的研究穆罕默德·阿里夫·马利克阿卜杜勒·迦法兰德萨尔曼·阿克巴·马利克1巴基斯坦伊斯兰堡PINSTECH实验室应用化学部2巴基斯坦伊斯兰堡Quaid-i-Azam大学生物科学系电子邮件：[e-mail]接收于2000年6月28日，最终完成于2000年12月24日摘要：由于持续发展的需要，便宜的和有效的环境友好的消毒和降解有机废水成为必要。臭氧处理正在取代传统的加氯处理，因为臭氧是一种强氧化剂，无任何毒副作用而且，它是更有效的消毒剂。然而，臭氧处理比加氯处理有更高的成本，这是它们的主要缺点.本文主要有针对性的讨论臭氧化过程提高废水处理效率的发展，更便宜臭氧的产生，例如，对在催化包装纳入臭氧发生器，对臭氧在水中更好的分散性和更快的转换溶解臭氧自由基进行了阐述。同时臭氧的合成放电进行了讨论。此外，生成几种化学反应的活性物质，如H2O2，O•，OH•，N•，O∗3，N∗2，N∗，OH−，O−2，O−，O+2，N+2，N+，O+等等，这些都是在放电中产生的。而且这些产品比臭氧有更强的氧化性。因此，水放电可以很好的利用臭氧这种物质，最近的很多研究都致力于这个目标的实现。本文对这些技术和重要的发展概况方面采取进行了讨论。特别是脉冲电晕放电，介质阻挡放电和辉光放电，接触电解技术，这些技术都是为了有效的处理废水。这些基于水中或接近于水中放电的项目都在一些具有工业规模的工厂中测试。1.简介许多放电反应控制空气污染物的工作已经实施。这包括酸性气体减排（硫氧化物，氮氧化物），温室气体（甲烷，二氧化碳等），有毒有挥发性有机物化合物（挥发性有机化合物），有害微粒，有害微生物。放电反应器正由于可以净化空气而正在被半工业和产业方面大规模使用。在面积水净化，臭氧是一种工业广泛接受的物质。臭氧是大量饮用水和污水处理的必须品。臭氧化过程中与传统的氯化水处理过程的的主要优点在下面列出。●不需要存储和处理有毒化学品。●臭氧化副产物没有任何已知的对环境和健康不良的物质。●臭氧是一种氧化性更强，效率更快的氧化剂。●臭氧可以安全地处理有机污染物。●臭氧有助于在祛除颜色，去除异味和悬浮固体材料。●臭氧能有效地杀死细菌，病毒，孢子和胞囊。臭氧化过程通过下面几点而更具竞争力：（a）提高臭氧发生器的能源效率和臭氧产量（b）开发更好的臭氧水接触系统（c）对臭氧的化学反应实施催化作用近年来为了实现臭氧化过程的重大发现都将在以下文章中出现。表1.常见的氧化剂氧化能力在空气中放电可以将氧气转化为臭氧，除了臭氧，还有大量的离子产生，如：O•，OH•，N•，O∗3，N∗2，N∗，OH−，O−2，O−，O+2，N+2，N+，O+等等。这些离子寿命较而且会在臭氧富氧空气/氧气进如水前衰亡。但是，如果因为反应器的设计，使放电在近水面的地方，即刚好在水面上方，这些离子可能会进入水而对水造成一定程度的污染。这样一来，水处理单元变得简单化。这样就没有必要单独设计一个臭氧合成反应器和容器进行臭氧富氧空气/氧气的收集。在气水混合物中放电也可能生成O•，OH•，O3,H2O2等，大多数这些产物都有强氧化性。因此，与其异地放电产生臭氧，不如在废水中放电，利用这些可以处理水的活性物质，此外，在水中放电时，传统的消毒剂O3和H2O2对处理微生物有强烈的协同作用。在水中放电也可能会产生紫外线（UV）辐射和冲击波，这有助于污染物的处理。因此，在水中放电无疑是处理废水的最好方式。对于下一代处理技术，这种放电由于环境友好而比传统的处理方法有优势。在水中放电或者靠近水面放电可以用于大规模的污水处理。在这些领域的重要进展都在本文有所体现。2.放电和生产化学活性物种几种类型的可以在空气中发生并正在研究用于对空气污染的处理。在水处理方面，一下几种放电方法经常被用到。（1）接触辉光放电电解（2）介质阻挡放电（也称为无声放电）（3）脉冲电晕放电在接触辉光放电电解中，用约0.5千伏的直流稳压电压施加到细铁丝阳极上与水面接触，而阴极蘸分离水和阳极通过多孔玻璃。辉光放电电流以围绕阳极的蒸汽存在。在带电等离子体（在放电间隙或阳极周围的蒸汽）被加速由于陡峭的电位梯度于液相能量的输入，电压可以达到100电子伏。在接触辉光放电的情况下几乎所有物质，即阴离子，阳离子和中性粒子会变热，因此在反应堆产生的等离子体可以被称为热等离子体。无声放电和脉冲电晕放电，介绍如下：在获得了高能量的自由电子而仍然接近室温的等离子体被称为冷等离子体或非平衡等离子体。在介质阻挡放电反应器的电电极之间放电需要至少有一个电极是覆盖着一层薄薄的绝缘材料，如玻璃或石英等。在处理废水的时候，介质阻挡放电反应器中，废水围绕一个电极充当介质，这种方法通常将一个约15千伏交流电压施加在电极。在放电间隙，离子，尤其是自由电子，在外加电场的影响下加速。非弹性碰撞下电子可以从周围的分子中分离出来，使之产生更多的自由电子。自由电子可能重复这一过程，从而产生电子束（流光）。流光的电子密度大概是1014/cm3,它们的能量大概是1到10电子伏。放电产生的离子穿过电介质，在那里它们产生反向电场，并在几纳秒内中断电流。由于微放电持续时间短，只有电子作为最轻的带电粒子能够获得高能量，较重的粒子仍然接近室温。在高能电子反过来可以发生等离子化学反应，这可以产生自由基和离子，从而最终处理水中的污染物。在接触辉光放电电解和电介质阻挡放电反应两种情况下，放电位置都在靠近水面气相里。他们需要较强的的放电为1mV/cm,这是为了为了电场中包含液面。如此高的电场通常要应用15-100千伏得电压，高电压脉冲，上升急剧（几纳秒）。脉冲电晕放电反应持续时间短（纳秒到微秒）。此外，脉冲电晕放电是有效的消毒剂，他们还可以在靠近水面气相地方进行。这就是为什么在水处理的研究方面，大多都可以通过电晕放电脉冲反应来实现。一个脉脉冲发生器通常是基于电容在低电感电路放电通过火花间隙开关应器需要一个脉冲发生器和一个如图1所示反应堆。图1脉冲电晕放电反应器脉冲发生器通常是基于电容在低电感电路放电通过火花间隙开关，该反应堆由金属电极和一些绝缘材料组成的配件构成。电极是一根针板，通常用一根针连接到高电压端子和接地极。针覆盖着绝缘体，例如聚四氟乙烯，只有剑尖暴露出来，使强电场从针尖释放出来。在同轴电极下，大量的水可以接触到放电，但针板电晕放电需要更强大的电场。但是电极覆盖陶瓷层得话，电场可以提高εw/εc∼10（εw和εc分别是水和陶瓷的介电常数），其原因是较大的电导率和更长的脉冲。在这样高的电导率和长脉冲下，由于陶瓷层的不均匀性，某些地方的电场比估计的要高，这些可能形成闪流等离子柳，脉冲电晕放电用涂陶瓷层的不锈钢丝电极处理水已经有过报导。这样的系统会更容易扩展而且多孔陶瓷材料也可能使其有催化活性，这要在未来的研究种探索其是否能成为一个合适的等离子体化学反应的催化剂。电极材料也可能对水处理过程中发生反应的催化效果。在气相离子化学反应的情况下，铜制成的电极比不锈钢电极有更好效果，这可能是由于铜的催化效果。据观察，电极材料可以促进水中电极放电。然而，在水中的化学反应等离子电极材料催化效果尚未见报道。其中电极材料，钛释放到水中的效果不好，而如钨非金属和较脆金属应用失败。另外应考虑在脉冲电晕放电反应器的电磁兼容性，他们可能会由于其电磁辐射干扰邻近的工具。在放电间隙自由电子加速下的高电压对在针板反应器或电线缸反应堆有影响。自由电子可以加速周围气体电离成分子，从而产生更多的自由电子。自由电子可以重复这一过程，并启动电子雪崩（流光或等离子通道）。通常一个正的直流电压加在反应器上，自由电子被吸引到高电压的电极。自由电子漂移形成了闪流等离子柳，这增强了外加电场正电荷作用，吸引任何二次雪崩电子。当二次电子雪崩，雪崩离子混合原发性他们留下一个正电荷，这增强了电场的作用。整个过程重复，以这种方式传播等离子柳。在等离子流前段自由电子有多达15电子伏的能量，而在其余的等离子柳的自由电子的能量可达4电子伏。流光中的平均电子能量约5电子伏，周围的电子密度1013/cm，在空间和时间分布的多个区域，来自高压电极和传播对电极。电子能量和电流密度是从空气中的脉冲放电参考得来的。而在水中的电晕放电引发的详细机制还不完全清楚。有两种理论，即电子理论和热击穿的理论，它们被提出来解释启动在水电晕放电。根据电子理论的自由电子加速电场下的应用，并可能碰撞和电离周围的分子，从而产生更多的（电子雪崩）自由电子，导致水击穿。根据热击穿理论在高场区电流使加热和汽化液体，形成泡沫。气体击穿发生在每一个泡沫，造成进一步的加热和泡沫增长，直至彻底破裂。单束等离子柳有一毫米直径的一小部分，在水中可以传播到1厘米以上的距离。3.臭氧与水处理商业臭氧发生器通常是根据介质阻挡放电。这种方法可以在使用氧气的的情况下每千瓦时提供200g臭氧，使用空气的情况下每千瓦时提供80g臭氧。对技术的改进可以达到每千瓦时产生240g臭氧。臭氧的产生主要是根据反映R9。O•+O2+M→O3+MR9与其同时，一小部分臭氧因为其他的反映被破坏。反应器出口处的臭氧浓度可能会增加，我们可以采用下述方法增加臭氧的生成反应，并减少了臭氧的破坏反应的可能性。即采用双表面放电反应器或无声放电，这可能会增加臭氧的产生量，高达274g每千瓦时。采用多孔硅凝胶反应器，放电间隙填料，发现臭氧产生效率可以达到300g每千瓦时。加强了臭氧产生的可能原因是一个活跃的等离子区，由于在粒子之间（包装材料）和表面介导的反应（R10）微放电的扩散。在表面介导的反应（R10）的情况下，吸附剂可用产生新生臭氧分子余的能量，使臭氧的破坏反应减少。另一方面，是由于表面介导反应的作用，在包装上的氧化铝孔径大小是一个关键因素，可以增加臭氧生成[。在这方面进一步的工作是需要找到新型材料，并了解了包装材料的属性，如它们的介电常数，多孔质地，作用，晶相，等等，他们的臭氧产生情况。这样产生的臭氧是细气泡通过多孔盘或螺旋桨/涡轮机等，形成了与水接触最近，其中气通过两个喷嘴在两个单独的有高速水流的反应器中。这两个液体流冲击在中央管，然后进入一个容器。该反应器撞击区可以提高系统的安全，减少反应器大小，降低臭氧的要求和降低能源成本。脉冲电晕放电有能力打破了大气泡（通过皮下注射针头）成许多很细的气泡。这是因为电场通过从水中有较大的电介常数（ε=80），在空气中，与小介电常数（ε=1），水挤压气体，并最终它分解成小气泡。