基于三相放电等离子体的TNT废水处理研究

王忠春， 张思亮， 鲁 飞

(1. 军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003； 2. 河北广播电视大学计算机系，河北 石家庄050071； 3. 北京军代局驻247厂军代室，山西 太原 030009)

火炸药生产、弹药销毁处理等过程中都会产生大量的TNT废水。由于TNT废水具有较大的毒性，直接排放会造成环境的严重污染，因此，必须对TNT废水进行降解处理，实现无害化排放[1-2]。目前，废水处理中使用的物理法、化学法和生化法都各有不足[3-5]，不能实现TNT废水的有效降解，为此，急需开发新技术。高压脉冲在水中放电时能够产生大量的活性粒子、高能电子等，利用放电产生的综合效应，可实现对废水的降解处理[6-7]。目前，国内外正在研究基于高压脉冲放电的TNT废水处理技术，并取得了一定成果，但是对利用气液固三相放电处理TNT废水的技术尚未开展深入研究[8-9]。本文将在传统液相放电基础上，设计气液固三相放电TNT废水处理系统，并利用其进行TNT废水处理试验。

1 TNT废水处理原理

高压脉冲在液体中放电时，会产生大量具有强氧化性能的活性粒子，如O3、H2O2、·OH、·H等。利用活性粒子的强氧化性能与TNT分子发生反应，将TNT降解为CO2、H2O或其他无毒物质；同时利用放电过程中产生的高能电子轰击TNT分子的化学键，使化学键发生断裂，实现对TNT的降解；此外，脉冲放电过程中辐射出的紫外光也会使得TNT分子中的原子发生跃迁。综合这些效应，可实现对TNT废水的降解处理[10]。

2 气液固三相放电TNT废水处理系统设计

2.1 气液固三相反应器结构设计

基于气液固三相放电等离子体的TNT废水处理技术，是在传统单一的液相反应器的基础上，通过增加供气装置和固体填料，以降低放电反应所需的电压，改变电场分布，增强活性粒子的数量和活性，从而提高对TNT废水的降解率。其反应器结构如图1所示。

图1 气液固三相反应器

从图1可以看出：三相反应器主要由反应容器、电极、固体填料等部分构成。其反应容器采用筒装结构，电极也采用筒式配置，从而增大了电极之间的接触面，使得放电产生的等离子能覆盖反应器所有区域，可一次性处理大量废水，提高了处理效率。为了便于观测处理效果，结合前期研究经验，反应器由有机玻璃筒构成。同时，在电极的外侧设置绝缘介质，以减小废水或无机盐物质对其造成的腐蚀。

在三相反应器设计中，固相填料的选取非常重要，不仅要求其具有很好的机械强度、很高的密度，同时也要具有很好的耐腐蚀性能和良好的经济性能。从实用性和经济性出发，选用普通玻璃球作为填料，玻璃球填充到上端废水入口处。

2.2 脉冲功率电源设计

对于等离子体TNT废水处理技术来说，电源的设计非常重要，不仅直接关系到脉冲放电能否可靠发生、等离子体通道能否形成，也关系到活性粒子的数量和活性，进而对TNT废水的降解率和处理效率起着至关重要的作用。脉冲功率电源主要包括充电回路和放电回路，其结构分别如图2、3所示。

图2 充电回路

图3 放电回路

从图2可以看出：充电回路主要包括调压器T1、高压变压器T2、整流硅堆D、限流电阻R、脉冲储能电容器C等。其工作的原理为：首先，通过调压器设定C的充电电压；其次，利用T2将市电220 V升高到设定的电压，并经过D整流后，得到直流电压；最后，利用该直流电压对C进行充电，使其具有一定的储能。

从图3可以看出：放电回路主要由空气开关S、触发及控制电路、放电电流测量装置等部分构成。其主要工作过程为：当充电完成后，通过触发及控制电路发出触发信号，储能电容器C向反应器的电极放电，产生等离子体，实现对TNT废水的降解。

3 试验结果与分析

试验对象为配制的TNT标准溶液，首先利用紫外光分光光度法测得TNT溶液的浓度，然后根据处理前后TNT溶液浓度的差异得到TNT的降解率。脉冲电源采用单次放电方式，主要对有无固体填料、不同充电电压、不同放电次数等条件下TNT废水的降解率进行试验。

3.1 充电电压对降解率的影响

以浓度为60 mg/L的TNT溶液为处理对象，保持通入反应器的气流量为0.75 m3/h，废水的初始温度为常温25 ℃。通过调压器设定储能电容器的充电电压，连续放电200次后，得到储能电容器在不同充电电压下的降解率，试验结果如图4所示。

图4 不同充电电压下的TNT降解率

由图4可见：在其他条件不变的情况下，随着储能电容器充电电压的增大，TNT的降解率将会明显提高。这主要是因为在相同放电条件下，随着电压的增大，放电产生的电极之间的电场强度也会相应增大，从而增大了·OH、·O、·H、 ·HO2等活性粒子的数量和活性，提高了高能电子的能量，而且放电产生的紫外光的强度也会随着电压增大而增大，这些综合作用的增强都会使得TNT的降解率大幅提高。但是，并不是充电电压越大越好，一方面要考虑储能电容器的额定工作电压、开关的强度等因素；另一方面，由于臭氧的性质不稳定，在高电压脉冲产生的放电作用下，当生成的臭氧达到一定浓度后，电压继续升高，会使得臭氧发生分解，从而影响能量的利用率。因此，应根据需要选择合适的充电电压。

3.2 放电次数对降解率的影响

设定储能电容器的充电电压为30 kV，TNT溶液的浓度为60 mg/L，其他放电条件不变，通过试验测得不同放电次数下的降解率，如图5所示。

图5 不同放电次数下的TNT降解率

从图5可以看出：当放电次数分别为50、100、200、250、300、350时，对应的TNT的降解率分别为2%、8.2%、12.1%、15.2%、19.2%、24.5%。试验结果表明：随着放电次数的增加，TNT的降解率不断提高。事实上，对于单次放电的脉冲电源，放电次数的增大也意味着降解时间的延长，因此，在其他反应条件都不变的情况下，随着放电次数的增多，系统往废水溶液中注入的能量相应增大，对应产生的活性粒子也会增多，而且活性粒子对TNT的氧化、高能电子轰击以及紫外光光化作用的时间都会延长，TNT的降解率自然会显著提高。但是对于该系统，持续地增加放电次数，也会增加系统的能耗，因此，要综合考虑系统的降解率和能耗的问题。

3.3 TNT初始浓度对降解率的影响

对实际的TNT废水进行处理时，TNT的初始浓度并不完全相同。比如：对于各个弹药销毁站，不同蒸汽倒药作业线产生的TNT废水浓度差异很大，甚至同一条倒药作业线，在不同的时间产生的TNT废水浓度也不完全相同；而且弹药或火炸药生产厂家产生的TNT废水浓度和倒药作业线产生的TNT废水浓度差异性会更大。对于不同的TNT初始浓度，其降解效果也不完全相同，为此，在保持其他条件不变的情况下，研究TNT溶液的初始浓度对降解率的影响，放电次数为200次，试验结果如图6所示。

图6 不同TNT初始浓度下的降解率

从图6可以看出：在TNT的初始浓度为30、40、60、70、80、90 mg/L时，对应的降解率分别为15.4%、13.8%、12.1%、10.4%、9.2%、8.3%。试验结果表明：随着TNT初始浓度的增大，降解率逐渐降低。但是，实际的TNT绝对去除量却是随着TNT初始浓度的增大而增大。产生这一现象的原因主要是：随着TNT初始浓度的增大，TNT分子数量相应增多，与电源放电产生的活性粒子发生反应的几率会更大，高能电子更容易对TNT分子产生轰击作用。

3.4 温度对降解率的影响

以上反应都是在TNT溶液初始温度为25 ℃时进行的，随着溶液温度的升高，TNT分子的运动速度会加快，同时电源放电产生的活性粒子的运动速度也会加快，增强了·OH、·O、·H、·HO2等活性粒子的活性，从而加剧了活性粒子与TNT分子之间的物理化学反应，提高了降解率。为了验证上述分析的正确性，调整TNT溶液的初始温度分别为25、30、40、50、60 ℃，然后在充电电压为30 kV时，连续放电200次，TNT溶液的初始浓度为60 mg/L，其他条件不变，得到的TNT的降解率如图7所示。

图7 不同TNT溶液温度下的降解率

从图7可以看出：在TNT溶液的温度分别为25、30、40、50、60 ℃时，得到的TNT降解率分别为12.1%、14.3%、15.6%、16.7%、16.9%。试验结果表明：随着TNT溶液温度的升高，降解率逐渐增大，但增大的速率逐渐变慢。这主要是因为溶液温度刚开始升高时，会增加活性粒子的活性和速率，同时也会增大TNT分子的运动速率，从而提高了两者发生物理化学反应的几率；但是由于H2O2、O3等活性粒子具有很大的不稳定性，在高温作用下，两者都可能发生化学分解，从而降低了活性粒子的浓度，影响其对TNT的降解效果。因此，在TNT废水处理过程中，可以适当提高溶液的温度，但是也不能过高，而应该根据实际的处理效果，确定最合适的溶液温度。

3.5 固体填料对降解率的影响

以上进行的试验都是基于三相反应器进行的。从三相反应器的设计原理可知：固体填料的存在会在某种程度上改变电场的分布，增大反应电极，降低反应条件，增大活性粒子的数量和活性，从而提高对TNT的降解率。为此，以TNT浓度为60 mg/L的溶液为研究对象，研究在不添加固体填料和添加固体填料2种情况下的降解率，从而验证固体填料的作用效果。充电电压为30 kV，溶液温度为室温25 ℃，其他条件不变，在不同放电次数下，得到有固体填料和无固体填料时的试验结果，如图8所示。

从图8可以看出：在不含固体填料时，三相反应器实际上就变成了气液两相反应器，在放电次数为50、100、200、250、300、350时，对应的TNT降解率分别为1%、5.5%、9.8%、13.4%、15.4%、18.5%。

由此可见：添加固体填料，确实提高了TNT的降解率。因此，对于TNT废水的降解，采用气液固三相反应器具有更大的优势。

图8 固体填料对降解率的作用

4 结论

本文设计了基于三相放电等离子体的TNT废水处理系统，通过试验验证了将气液固三相高压脉冲放电等离子体技术应用于TNT废水处理的可行性，并对TNT废水的处理工艺进行了初步探索，为实现TNT废水的有效处理提供了新的方法途径。

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