高压等离子体催化降解有机物废水

大庆石油学院应用技术学院毕业论文高压等离子体催化降解有机物废水学科专业：环境监测与治理学生：沈华指导教师：李磊入学日期：2006年09月论文完成日期：2009年03月I目录目录……………………………………………………………………Ⅰ摘要………………………………………………………………………Ⅱ第1章前言…………………………………………………………………1第2章难降解有机物废水种类危害及处理方法…………………………22.1降解有机物主要种类及危害…………………………………………22.2有机物废水的主要处理方法………………………………………2第3章高压等离子体………………………………………………………53．1夜电等离子体……………………………………………………53.2辉光放电等离子体………………………………………………83.3微等离子体……………………………………………………133.4低温等离子体…………………………………………………14第4章影响高压等离子体降解速率的因素……………………………16第5章结论………………………………………………………………29参考文献…………………………………………………………………31II摘要：本文简要介绍了难降解有机物的主要种类和危害，阐述了国内外难降解有机物废水的主要处理方法，重点介绍了水中高压脉冲放电可引起多种物理和化学效应,该技术处理废水具有高能电子、紫外线、臭氧等多因素的综合作用,是集光、电、化学等多种氧化于一体的新型水处理技术,具有良好的发展前景.这一技术在水处理方面的技术原理、高压脉冲电源、有机污染物的降解以及催化剂的应用等方面的研究进展,并提出了此技术存在的问题和前景，并由多个实验站证明哪些因素影响简介速率。关键词：有机物废水高压等离子体降解速率Abstract:Thepulsedhigh2voltagedischargeinwaterleadstobothphysicalandchemicalprocesses.Theprocessingtechnologyhasthecomprehensiveactionofhigh2energyelectron,ultravioletlight,ozoneetc.Theechnologythatintegrateslight,electronicandchemicaloxidationintooneprocesshasagooddevelopmentprospect.Thepaperdiscussesthemechanism,high2voltagepulsedpower,degradationoforganicpollutantandpplicationofcatalystofthetechnology.Thenweputsforwardtheproblemsandapplicationofthetechnologyinwastewatertreatment.Keyword：OrganicmatterwastewaterHigh-pressuredplasmaDegenerationspeed1第1章前言目前，生活污水和工业废水的种类和排放量日益增多，成分更加复杂，其中含有许多难降解有机物如酚、烷基苯磺酸，氯苯酚、农药、多氯联苯、多环芳烃、硝基芳烃化合物、染料及腐殖酸等。其中有些有机物具有致癌、致畸、致突变等作用，对环境和人类有巨大的危害。废水处理技术发展至今，一些成分简单，生物降解性能好、浓度较低的废水可通过组合传统工艺而得以去除。但是由于现代工业生产特别是化工工业的发展，工业废水的成分日益复杂，尤其是化工合成的有机物，往往难以用传统的废水处理方法(主要是生物处理法)去除，因此处理这难以生物降解的有机废水成为我们面临的严峻挑战。对难降解有机物得处理,以羟基自由基作为氧化剂的高级氧化技术是去除难降解的有机污染物的有效办法.在众多的高级氧化技术中,高压脉冲体放电等离子水处理法已引起国内外许多研究者的关注.高压脉冲放电等离子体水处理技术几乎是各种高级氧化技术的天然组合,具有广泛的应用前景,影响处理效果的因素很多,例如产生等离子体的方式、反应器结构、反应过程中各参数的控制等.到目前,还没发现有工业化应用的等离子污水处理设备,所作的研究都是为等离子体降解水环境中的某些污染物特别是有机污染物提供了新思路.本文主要介绍高压脉冲放电等离子体降解的机理、高压脉冲电源、有机污染物的降解以及催化剂的应用等方面的研究进展,并提出展望（1）。2第2章降解有机物废水种类危害及处理方法2.1解有机物主要种类及危害所谓难降解(难生物降解)有机物是指微生物在任何条件下不能以足够快的速度降解的有机物。形成有机物难于生物降解的原因除了在处理时的外部环境条件(如温度、pH值等)没有达到生物处理的最佳条件外，还有两个重要的原因，一是由于化合物本身的化学组成和结构，在微生物群落中，没有针对要处理的化合物的酶，使其具有抗降解性；二是在废水中含有对微生物有毒或者能抑制微生物生长的物质(有机物或无机物)，从而使得有机物不能快速的降解。这些难降解的有机物种类繁多，来源于各行各业如化工、印染、农药等，且有潜在的危险。表1列出了主要的难降解有机物的种类及危害。2.2有机物废水的主要处理方法目前，国内外对难降解有机物废水的处理方法主要有生物法、物化法和氧化法等。2.2.1生物法生物法是目前应用最广泛的一种有机废水处理方法，主要包括活性污泥、生物膜法、好氧一厌氧法等。它主要是利用微生物的新陈代谢，通过微生物的凝聚、吸附、氧化分解等作用来降解污水中的有机物，具有应用范围广、处理量大、成本低等优点。但当废水含有有毒物质或生物难降解的有机物时，生物法的处理效果欠佳，甚至不能处理。针对这类废水，人们对生物法作了一些改进，使其能应用于这类废水的处理。主要包括以下几方面的：3a．生物强化(Bioaugmentation)技术生物强化技术是通过改善外界环境因素，提高现有工艺对有毒难降解有机物的生物降解效率。目前实施的生物强化技术主要有以下途径口(1)投加有效降解的微生物。(2)投加营养物和基质类似物。(3)投加遗传工程菌、酶。b．优化组合的处理工艺提高难降解物质的去除率，必须延长水力停留时间和增加泥龄，提高微生物有效浓度，增加污染物与微生物的接触时间。目前常用的工艺有：(1)采用PACT工艺(添加粉末活性炭活性污泥工艺)，使有机物除被微生物氧化处理外，还被活性炭所吸附。由于活性炭表面的污泥泥龄较长，污染物与微生物接触时间远大于水力停留时间，从而使难降解毒性有机物去除率提高。(2)厌氧一好氧工艺的组合。有时采用单独的好氧或厌氧工艺处理效果都不理想，但采用联合处理工艺后，可能会发挥各工艺的优点，产生协同效应，使处理效果大大提高。如厌氧一缺氧／好氧工艺组合。2.2.2物化法物化法处理难降解有机污染物的文献报道不多见，主要有吸附法、萃取法、各种膜处理技术等。吸附法主要采用交换吸附、物理吸附或化学吸附等方式，将污染物从废水吸附到吸附剂上，达到去除的目的。吸附效果受到吸附剂结构、性质和污染物的结构和性质以及操作工艺等因素的影响，常用的吸附剂有活性炭、树脂、活性炭纤维、硅藻土等。该法的优点是设备投资少、处理效果好、占地面积小。但由于吸附剂的吸附容量是有限，吸附后的再生往往能耗很大，废弃后排放于环境易造成二次污染，这些因素限制了该方法的实际应用。萃取法是利用与水互不相溶、但对污染物的溶解能力较强的溶剂，将其与废水充分混合接触，大部分的污染物便转移至溶剂相，分离废水和溶剂，使废水得到了净化。分离溶剂与污染物，溶剂可以循环利用，废物中的有用物质的回收，还可变废为宝。但是目前萃取法仅适用于少数几种有机废水，萃取效果及费用主要取决于所使用的萃取剂，由于萃取剂在水中还有一定的溶解度，处理时难免有少量溶剂流失，使处理后的水质难以达到排放标准，还需结合其他方法作进一步的处理。随着材料技术的进步，超滤法和反渗透法等膜技术也已用于废水的治理研究，它不但可以治理废水，还可从废水中回收有用物质。2.2.3化学氧化法化学氧化技术常用于生物处理的前处理，一般是在催化剂的作用下，用化学氧化剂处理有机废水可提高废水可生化性，或直接氧化降解废水4中有机物使之稳定化。常用的氧化剂有O。、H：O：、KM—nO等。现代工业的发展使含有高浓度难生化降解有机物的工业废水日益增多，对于这类废水的处理，常用氧化剂表现出氧化能力不强，存在选择性氧化等缺点，难以达到实际的要求。随着研究的深入，高级氧化技术(AdvancedOxidationProcesses，AOPs)应运而生，且已获得显著的进展。高级氧化技术的基础在于运用光辐照、电、声、催化剂，有时还与氧化剂结合，在反应中产生活性极强的自．由基(如·OH)，再通过自由基与有机化合物之问的加合、取代、电子转移、断键等，使水体中的大分子、难降解有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成CO2和H20，接近完全矿化。表2列出了常见氧化剂的氧化电位，由表可见,·OH显然比普通的氧化剂(O2、C12、H2O等)的氧化电位要高得多。这种以·OH为主要氧化剂的降解技术克服了普通氧化法存在的问题，具有以下特点：1)产生的·OH氧化能力极强，与各种有机物质的反应速率相近，具有“广谱性”，能有效的将废水中的有机物彻底降解为CO2、H20和无机盐，无二次污染。2)工艺灵活，既可单独处理，又可以与其它处理工艺组合；3)作为一种物理一化学处理过程，极易控制以满足不同处理需要。由于氧化过程可以完全破坏毒性污染物，较之其它处理方法有其特殊优越性，因而在水处理研究领域引起了广泛的关注和应用（1）。5第3章高压等离子体3.1夜电等离子体3.1.1液电等离子体处理有机废水原理液电效应中的脉冲等离子体的产生，主要是由高电压冲击电流发生装置在水中放电产生的，图1为其装置的基本原理图图1液电脉冲等离子发生装置原理图液电脉冲等离子体发生装置一般分为充电及放电两部分，整个工作过程如下：首先，工业用电经升压(10—100kV)、整流后对储能电容器充电，当到达预定电压后，触发火花间隙开关，使高压迅速加到预先置人液体中的放电电极的间隙上。间隙里的液体介质，在强电场(10一104V／cm2量级)的作用下，放电间隙里的介质出现解离和碰撞电离过程，从而出现了从高压电极向外延伸的高电导率的根须状“先导”。它是直径约为01—2l'nlTl的电离发光通道，当高电导率的“先导”一旦到达对面电极时，就为电能的浪涌式释放提供了放电通道。此时，电容器上存储的电能在极短的时间(微秒级)向放电通道倾输，巨大的脉冲电流(10一105A)使通道内形成高能密度(102—10J／cm3)，由此引起局部高温(104—10K量级)。这样，在放电过程中，放电通道内完全由稠密的等离子体所充满，且辐射出很强的紫外线(波长为75—185nm)⋯。同时，由于瞬间高温加热的结果，放电通道内压力急剧升高，可达到3—1OGPa量级，从而使等离子体以较高的速度(102—10m／s)迅速向外膨胀，由此完成整个击穿过程。在水中产生的等离子体由如下粒子组成：H、OH一、处于不同激励态下的氧原子、氢原子及·OH等自由基，还有0、0：、H20、H：、光子及电子、H20一离子团等。这些粒子的排列结构及所占的比重决定等离子体性质，等离子体的比重与水几乎相等，其中离子和原子占90％，分子及其粒子只占l0％左右。它区别于气体等离子体的突出特点是：具有高密6度，因而具有高膨胀效应以及温度和能量的储存能力。它将电容的放电能量以分子的动能、离解能、电离能和原子的激励能的形式储存在等离子体中，继而转换为热能、膨胀压力势能、光能、声能及辐射能。在等离子体内部形成巨大的压力梯度和等离子体边界上的温度梯度，其中膨胀势能和热辐射压力能的叠加形成液相放电的冲击波压力，这一压力作用于水介质，通过水分子的机械惯性，使其以波的形式传播出去，形成冲击压力波。由于在等离子体形成过程中，水的气化过程就已开始，因此，等离子体通道的热能不仅气化了周围