等离子体技术在废水处理中的研究进展

李晓艳

摘 要：近年来，在社会经济快速发展的同时，城市化进程逐渐加快，工业生产规模不断扩大，产生大量的工业废水与生活废水，部分废水中有大量复杂性有害物质，如果未经处理便排放，将会严重污染生态环境，对人们的生活产生极大的影响。因此，废水处理工作极为重要，各项废水处理技术也得到了进一步完善，被广泛应用于废水处理中。经济、高效、无二次污染的废水处理技术一直是业界人员研究的方向。其中，低温等离子体技术是一项新型污水处理技术，整体处理效果良好，且适用范围比较广，受到了社会各界的广泛关注。分析低温等离子体技术对废水进行处理的基本原理，并阐述了当前低温等离子体技术的发展研究现状，进一步探讨了低温等离子体技术在废水处理过程中面临的相关问题与应用前景，希望可以为相关从业人员提供借鉴。

关键词：低温等离子体；废水处理；研究进展

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目（18JK1102）

随着工业化生产规模不断扩大，工业生产过程中产生了大量的废水与废弃物，废水处理至关重要。通过有限的成本，最大限度地保证废水的排放符合排放标准、达到回收要求是当前污水处理的最终目标。但是废水中含有大量有毒有害物质，很难有效降解，大量的难降解有机化合物以及表面活性剂等，也是保证废水处理达到相关标准、要求的重点、难点所在。

对于废水中存在的污染物，当前已经有多种处理技术和方法，且被广泛应用于实践研究中。高温氧化、催化氧化以及低温等离子体氧化等技术由于对难降解有机物有良好的去除效果，备受社会各界的关注。其中，低温等离子体中包含强氧化性的羟自由基、激发态原子以及高能活性粒子，能够有效降解有机物，在氧化过程中，也会发生冲击波、紫外光辐射等物理化学反应，有助于加快有机物的进一步降解。近年来，由于其高效的降解能力且无二次污染，该技术受到了人们的广泛关注。

1 低温等离子体技术原理

等离子体主要是在相对特定的反应环境中，高压脉冲电源注入能量到水中或者水面上产生的，当在电极和接地极两者之间施加窄脉冲高压时，脉冲电流会导致系统的温度大幅度上升，从而形成一种放电通道，电子也会获得巨大能量从而形成高能电子，和水分子碰撞发生解离，在高温环境下，通道中会快速出现等离子体。低温等离子体主要由高能电子、正负离子、强氧化性自由基以及激发态分子、原子等共同组成，在放电环境中，活性物质会使污染物中的不饱和键产生断键与开环等反应，将废水中的大分子物质逐渐分解，变为小分子，甚至将其完全矿化，有助于提升难降解物质的整体可生化性。

低温等离子体技术具有高存储能力、高密度等优势，可将放电能量以电离能、分子动能等形式储存在等离子体中，在反应过程中逐渐转化为光能、热能与压力势能等，在等离子体中形成压力梯度，热辐射压力与膨胀势能叠加，以水分子惯性为基础，通过波的形式传递出去，从而产生冲击波。等离子体热能会使周边的液体气化，快速形成内能与膨胀势能。气泡中的温度与压强也会大幅度上升，当介质相对均匀时，动能和位能之间会发生转变，产生膨胀与收缩的反应过程。等离子体逐渐消失，气泡便会慢慢形成，其中存在许多离子、自由基、原子以及分子，气泡破灭之后，会朝着周边介质逐渐扩散。所以，等离子体中的热能会朝着周边传输，同时，高压、高温会使蒸汽泡出现，其在温度与压力的影响下可形成超临界水。低温等离子体受到高温热解、紫外光解、超临界水氧化等多项技术影响，包含等离子体中有机物的降解和通道之外的氧化[1]。

2 低温等离子体装置

2.1 电源

低温等离子体产生的基础与关键技术是高压电源，当前用于产生低温等离子体的电源主要分为直流与交流两种。直流高压电源针对放电的实际连续性，又可划分为高压脉冲电源与高压电源，后者可实现连续性放电，前者主要是通过放电开关以及火花隙开关、高容量电容共同形成放电回路，实现脉冲放电。当前关于交流放电所产生的低温等离子体对废水进行直接处理的相关研究不多[2]。

为了促进低温等离子体废水处理朝着工业化的方向发展，对大功率脉冲电源的研究与开发成为当前的重点研究方向。当前火花隙脉冲电源已经被广泛应用于实践中。平均功率2 kW的脉冲电源，也为该项技术的工业化发展与应用提供了保障。

2.2 反应器

低温等离子体对废水进行处理的反应装置是对电能进行化学转化的重要场所，也是该技术的核心处理部分。目前，低温等离子体在废水处理过程中，主要是针对电极的整体结构差异性，包括线筒式反应器、泡沫式反应器以及介质阻挡放电式反应器等。

针板式反应器是目前应用最广泛、相关研究最多的一种反应器，由针电极与板电极组成。针电极进行电极放电，其主要材料为不锈钢，也有铝、铂等材质的放电材料。板电极主要用作接地电极，主要材质是不锈钢，由于放电电极针的具体数目存在很大的不同，可分为单针板与多针板两种反应器类型。针对放电介质存在很大不同的特征，又可以将其分为气相放电以及液相放电两种[3]。

气相放电反应器的针电极位于板电极之上，两者之间相隔一定距离，被处理溶液会在电极中流动，完成放电，同时，等离子体中的有效成分和液面的一些复杂污染物发生反应。多根针在相同平面中可共同组成多针放电电极。水中放电反应器针电極与板电极通常存在于溶液中，部分情况下，为了进一步探讨在溶液中通入不同气体对整体处理效果所产生的影响，会采用空心针电极对气体进行引入。

棒式反应器的两个电极都是以棒状的形式存在，电极之间的距离非常短，当施加高压电流之后，会逐渐形成电弧进行放电，从而逐渐产生等离子体，产生辐射以及紫外光的同时，伴有很强的冲击波。这样的反应器可用于杀菌、降解以及除锈，但是会存在电极腐蚀严重的情况，且影响放电，导致放电稳定性不高，等离子体中会产生活性物，其所产生的能量效率非常低。

线筒式反应器主要用于接地电极以及气相放电，放置于反应器器壁上方，放电电极主要位于轴心的部位。西方国家最早采用该方法以及结构的反应器处理废水，并深入研究了高压脉冲杀菌方法。结果显示，该结构的反应器和其他反应器相比，有显著的效果。

环筒式反应器的放电电极以金属为主，接地电极是金属柱面，并在反应器中放置不锈钢圆环，能够有效改善等离子体针、板反应器针尖耗损的情况。数据显示，增加环电极数目，可产生许多等离子体，但是如果数量在3个及以上便会出现火花放电[4]。

泡沫式反应器是一种新型放电反应器，在内部放置两个多孔陶瓷扩散器，液、气相都是可以从底部进入的，通过多孔陶瓷扩散之后，会产生大量泡沫，并逐渐进入放电区域。该方法也能够有效弥补传统方法的不足，提高整体放电效果，有效加强热与传质之间的交换，从而有效提升氧化剂产量。

介质阻挡放电反应器是比较常见的放电反应器统称，主要是在反应器的电极上方覆盖相应的绝缘介质，在两电极之间增加高压交变电之后，因为存在介质，处理对象在高压下会出现均匀的丝状流光放电。在放电过程中，电子能量远远高于平均能量值，使水分子、有机物分子等逐渐产生电离，激发活性粒子。该类反应器能够产生很强的放电，同时能够有效避免溶液与电极之间直接接触，大幅度延长电极的使用寿命[5]。

3 低温等离子体技术处理废水的研究进展

通过低温等离子体处理难降解废水的相关研究仍处于发展阶段，主要为单一化的模拟废水，如染料、苯酚等，等离子体在去除废水中有机物的过程中，和多种因素有密切的联系，包括电极极性、放电频率、pH、添加剂等。

3.1 液相放电处理废水

液相放电主要指的是没入水中的高压电极与地电极在能量注入水中后会产生过氧化氢、臭氧等物质，早在20世纪80年代，国外便采用了针板式反应器，进一步研究了放电时的化学反应情况。结果显示，在染料溶液中完成放电时，加入混合气，降解率高达80%，随后又有学者通过棒式反应器进行放电反应，对水中的氯酚进行处理，去除率为36%[6]。在之后的研究中加入了活性炭，并实时观察对水中酚产生的影响。数据显示，对于单独放电以及活性炭酚的整体去除率显著提高，学者认为其主要是因为活性炭的吸附作用，放电在活性炭表面诱发化学反应。随后环筒式反应器在脉冲放电过程中，等离子流柱会有更大的通道，比单环放电电极反应器的整体效率更高，染料脱色率在95%以上，最终得出，苯是最难去除的物质，其实际去除率与溶液的浓度以及氧气的实际流量有关。

3.2 气相放电处理废水

在施加电压的情况下，两电极之间的气体介质会受到冲击，所产生的非平衡等离子体扩散到液体中，和污染物发生反应。单针板反应器在施加非脉冲直流高压时，可通过低气压放电，对水中的氯苯酚进行处理，并且能够监测实际反应情况，有效提高放电电流、搅拌速率，降低pH，提高实际转化率。在低气压环境下，放电过程需要更低的电压，和常压气相放电相比，对于相同污染物的转化与处理所需要的实际能量会更少。

4 目前存在的问题以及发展趋势

当前对于低温等离子技术在废水处理中的相关理论研究是非常多的，但是对于不同的有机物以及废水降解的报道比较少，废水的作用机理以及相关影响因素对实际处理结果的影响相关研究远远不够，而且实验重复性也比较差。在实际应用过程中，降解效率低、能耗高等问题依然存在。今后的相关研究工作应当集中在相关参数以及放电方式等方面，不断优化工艺，提升电源设备的高效性，保障工艺流程的设计合理性。

5 结语

低温等离子体技术是一种新型高级氧化技术，具备电子辐射、高温热解以及臭氧氧化等多种效应的协同降解能力，可有效去除难降解物质，整体效果好，处理速度快，且没有二次污染，在常温常压下可进行，在有毒废水降解过程中具有显著的优势，应用前景非常广阔。

[参考文献]

[1] 杨宸伟.低温等离子体水处理技术在废水处理中的研究进展[J].西南给排水，2018，12（1）：22-23.

[2] 马可可，周律，辛怡颖，等.低温等离子体技术用于废水处理的研究进展[J].应用化工，2019，48（1）：153-158.

[3] 馬东平.低温等离子体在废水处理中的应用及其机理的研究[D].兰州：西北师范大学，2018.

[4] 龚诗，孙亚兵，郑可，等.低温等离子体技术处理有机废水的研究进展与现状[J].山东化工，2019，32（15）：11-12.

[5] 陆泉芳，俞洁.辉光放电等离子体处理有机废水研究进展[J].水处理技术，2018，12（1）：22-23

[6] 韩育宏，陆彬，李庆，等.高压脉冲放电等离子体水处理技术研究进展[J].河北大学学报（自然科学版），2018，27（增刊1）：190-194.