大气压等离子体染料废水处理装置的设计

赵迪++王达成++简民++刘兆亨

摘要：由于工业废水产生的有机污染物含量高、难处理、而且造成了严重的环境污染，因此，研究一项新型的废水处理技术，成为了当前紧迫任务。而在处理废水技术的新工艺中，大气压下等离子技术有着更高的降解能力。大气压等离子体是一种高能活性粒子的物质，处理效率高，成本低，操作方便，而且不会产生二次污染。我的论文主要研究了等离子体的基本性质，DBD等离子体染料废水处理的设计及其发射光谱的相关研究。

关键词：大气压等离子体；DBD放电；有机染料；发射光谱法

引言

低温等离子体又叫非平衡等离子体体系，低温等离子体又可以根据粒子的温度和热力学状态分为热等离子体和冷等离子体[1-3]。近几年，随着对大气压等离子体的进一步研究，等离子刻蚀、镀膜、臭氧合成、材料表面改性、染料废水处理等方面得到了广泛应用[4-6]。论文研究的是大气压下，介质阻挡放电处理染料废水技术。本文中，研究了等离子体基本性质、DBD等离子体处理有机染料方面以及发射光谱法的相关研究，设计等离子体装置，利用空气为放电气体，通过实验研究验证等离子装置对燃料废水的退色效果，测量了大气压下介质阻挡放电产生的发射光谱并且采用发射光谱对褪色机理进行分析。实验

DBD等离子体氧化有机染料原理：染料废水中的有机物结构稳定，所以溶解性很差，传统的处理技术工艺非常困难，而且降解效果不显著。针对一这问题提出的大气压下等离子等离子处理染料废水装置是通过等离子体放电将空气中的氧气氧化成臭氧，对有机污染物的结构进行破坏从而降解。最终将有机降解为二氧化碳、水和无机盐。

实验装置设计：实验装置设计：为了提高等离子体反应的稳定性，本实验采用了同轴圆筒的设计。上下由聚四氟乙烯做的方形板，用于密封整个实验装置，固定电极和进出水口及进出气口；电极部分，采用半径为10mm，长度为10cm的铜棒作为高压电极，采用循环电解液作为地电极；整体采用外径为50mm，长度为15cm，厚度为1.5mm的石英玻璃管；采用外径为30mm，长度为15cm，厚度为2mm的石英玻璃管作为阻挡介质。在上方的聚四氟乙烯板上面内测的两个进气孔，用来鼓入空气，下方的一个气孔用来排出气体，聚四氟乙烯板上外侧的两个孔一个是用来进电解液，一个是用来导出电解液的，利用水泵达到循环电解液的效果。实验中的染料废水是实验室配置的，取一定量的颜料溶解在水中。所用电源低温等离子体实验电源（CTP-2000 coronalab）输出电压：0～30KV频率选择范围：1KHz～100KHz，气体选用空气。

实验方法：取500ml配置好的染料废水。开启气泵，电源，将空气通过塑胶管吹入等离子体发生装置，再将等离子体尾流通入废液中，每隔30分钟，取等量废液，进行观察。

图1 等时取出的废水样品

2 实验结果与分析

染料废水脱色效果及放电电学参数：在实验过程中，染料废水上出现大量气泡，并伴随着强烈的鱼腥味。经过处理后的废水颜色慢慢变浅，如下图1所示。

介质阻挡放电的功率也是一个重要参数，它涉及到我们处理过程中的能耗问题，但是由于介质阻挡放电的电压、电流的相位严重失调，功率的计算和测量就变得十分困难。对于小于10kHz的低频，而且是理想的正弦波和理想的绝缘介质，可以用公式进行计算。

目前对等离子体的功率只能进行宏观测定，我们利用电压-电荷李莎如图形来确定放电功率。我们用下边的公式计算在一个周期内的放电能量，用Wn表示： ， 其中： ，式（1）的积分结果可以描述为一个周期内电压-电荷的李莎如图形所围的面积即放电的功率，用P表示： 式中： 为输入电压的频率。

2.2 DBD等离子体的发射光谱分析

在本文中，利用Oceanoptic EPP2000光纤光谱仪检测等离子体放电的发射光谱，其主要参数：响应波长为：180-900nm。原子发射光谱法（Atomic Emission Spectrometry，AES），是利用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱来判断物质的组成，而进行元素的定性与定量分析的。

3 结论

本文中设计了新型的DBD等离子体装置、研究了等离子体基本性质、DBD处理有机染料方面以及发射光谱法的相关研究。我们采用了同轴圆筒结构，增加电极之间的反应面积，并采用循环电解液作为外电极，保证了外电极和阻挡介质不会随着反应时间增加而升高，从而稳定了反应功率。上端采用两个进气口保证空气能够均匀参与反应，等离子体尾流也能均匀从出气孔排出，进入到染料废水中。出气管设计得尽量短，避免等离子体尾流在导管中与管壁反应。在出气孔与废水接触的地方采用了均匀散发气体的装置，保证从导管中出来的等离子体尾流能够与废水充分反应。

参考文献：

[1]国家自然科学基金委员会.自然科学学科发展战略研究报告之十四：等离子体物理学：科技导报，1994；（5）：16-19

[2]Denes F S，Manolaches Prog.Polym.Sci.，2004，29：815

[3] 葛袁静.等离子体科学技术及其在工业中的应用：北京：中国轻工业出版社.2011：1-3

[4]许根慧，姜恩永，盛京.等离子体技术与应用.北京：化学工业出版社，2006：1-13

[5]PVA-TEPLA [online〕Availableon：

[6]辛仁轩编著，等离子体发射光谱分析，[M]，北京：化学工业出版社，2005