介质阻挡放电耦合电晕放电低温等离子及其对含染料废水脱色研究

论文摘要

高压放电低温等离子体技术是一种全新的高级氧化技术,逐渐被应用于水处理领域的研究。本论文重点研究了新型放电反应器对染料脱色过程的影响因素、处理效果、反应机理及其动力学过程。本文的主要内容和取得的研究成果及结论如下:（1）设计了新型放电低温等离子体反应器,其结构包含介质阻挡放电系统和电晕放电系统。此反应器的优点在电压达到放电电压时,雾化状态水溶液开始放电,由于介质层的存在,电荷在介质表面积累,形成感应电场与外加电场的叠加,雾化放电空间内电场场强得到增强,在雾化区域内形成许多小细丝状流注放电通道,通道内部形成大量的低温等离子体活性物质,低温等离子体活性物质能紧密与染料分子接触,形成低温等离子体向被处理染料分子的最佳传质形式,全部低温等离子区均被包括在处理水雾化区之中,低温等离子活性物种最浓处也是处理水雾最密处,达到最佳的能量利用率。（2）实验测试并优化了反应器参数。结果表明,在介质阻挡放电系统电极间距为30mm、电晕放电系统电极间距为25mm、电源电压为25kV时,反应器体系中两个放电系统雾化均很充分,按质量计算,大部分液滴的粒径在100-500μm之间。放电状态较好,甚至有些雾化液滴可达到100μm以下。雾化液滴较小,其比表面积则较大,具有强大的表面能,液滴表面的染料分子能充分和放电过程中生成的活性基团物质接触、氧化、分解。（3）分析测定了反应器工艺参数和染料溶液性质对其脱色的影响。随电压的升高和处理时间的延长,实验染料溶液的脱色效率不断增大,且电压越高,溶液短时间脱色效率提高越迅速,但当脱色效率达到较高水平后,脱色效率的提高变得缓慢。随染料浓度的增大而脱色率减小。但绝对去除率随染料浓度的增加而增加。酸性条件下,直接大红染料溶液的脱色率最低;中性条件下,脱色率开始前1个小时高于碱性和酸性条件,而随着实验的延长,超过一小时以后,初始pH较高（≈12）的脱色率升高。（4）分析测定了反应器工艺参数对能量效率的影响。较低电压的能量水平较高,随着电压的升高,能量效率水平反而下降。介质阻挡放电系统的电极间距较小时,反应器的能量效率水平较高,而随着电极间距的增大,在低电压阶段能量效率迅速下降,而电压升高时,不同电极间距的能量效率差异缩小。电晕放电系统电极间距对能量效率水平的影响差距不大,随着电压的升高这种差距变得越来越小。在电压为20kV、25kV时,不同电极间距的能量效率水平几乎相等。（5）确定了反应器最佳工作状态。结合电极间距、电源电压对染料溶液脱色率和能量效率的影响,确定本实验反应器最佳工作状态是介质阻挡放电系统的电极间距为30mm、电晕放电系统电极间距为25mm、电源电压20kV。（6）测定分析了直接大红染料脱色过程。通过测定直接大红染料脱色过程中的溶液pH、TOC、紫外可见光谱图和高效液相色谱图可知,在脱色处理时间（6h）范围内,染料溶液的COD值增大, pH值持续下降,TOC值逐渐降低,结合紫外可见光谱图和高效液相色谱图,说明染料分子虽然已经遭到破坏,染料分子内强生色基团偶氮双键确实遭到攻击,大的共轭体系被破坏,染料分子被脱色,却没有完全被彻底矿化成二氧化碳等无机物,出现了芳环和萘环结构的累积现象,可见完全破坏芳环比破坏偶氮双键发色团更困难。（7）分析了等离子体对染料脱色的机理。在反应器放电极加入高电压后,空气中的电子在电场力的作用下,发生气体放电产生大量活性物质,接触到雾化液滴表面时,氧化染料分子、溶解在液滴内部与染料分子反应;同时,由喷嘴喷出的液体在交流高压电场的作用下,液滴发生畸变并产生液滴尖的微放电,产生了大量的活性物质与液滴表面和内部的染料发生反应,使其脱色;当荷电雾化液滴流至尖端,产生尖端电晕放电,又产生大量活性物质,它与在电晕电场内雾化下落的液滴接触,继续发生表面氧化,同时H2O2和O3可溶解在液滴内的活性物质溶解在液滴内部,随液滴一起落入下贮水箱时,氧化反应仍在继续。（8）分析建立了动力学方程。结果表明,在不同初始浓度、pH和电源电压的实验条件下,溶液中直接大红染料的质量浓度随反应时间的增加呈现指数性降低。等离子体对染料脱色的动力学过程受实验条件限制。在染料脱色效率较高的实验条件下,脱色过程符合一级反应动力学。此时脱色速率常数随染料初始浓度的增大而减小;随电压升高而增大,随pH的增大而增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高级氧化技术
• 1.2.1 高级氧化技术的概念和特点
• 1.2.2 高级氧化技术的分类
• 1.2.3 高级氧化技术的研究现状
• 1.3 高压放电等离子体水处理技术
• 1.3.1 等离子体概述
• 1.3.2 高压放电等离子体水处理技术
• 1.3.3 高压放电等离子体水处理技术研究现状
• 1.4 染料及含染料废水
• 1.4.1 染料的概念及分类
• 1.4.2 染料的发色理论
• 1.4.3 含染料废水的危害及特点
• 1.4.4 含染料废水的处理方法
• 1.5 论文选题依据及研究内容、意义
• 第二章 新型放电低温等离子反应器设计及其特性测试
• 2.1 引言
• 2.2 设计原理
• 2.2.1 液体雾化放电
• 2.2.2 介质阻挡放电
• 2.2.3 电晕放电
• 2.3 反应器的设计
• 2.3.1 反应器的结构
• 2.3.2 反应器内放电机制
• 2.3.3 反应器的特点
• 2.4 反应器的电压电流特性测试
• 2.4.1 介质阻挡放电系统中电极间距对伏安特性的影响
• 2.4.2 电晕放电系统电极间距对伏安特性的影响
• 2.4.3 反应器放电发生过程受电压的影响
• 2.5 雾化状态研究
• 2.5.1 研究方法
• 2.5.2 介质阻挡放电系统雾化液滴粒径测定
• 2.5.3 电晕放电系统雾化液滴粒径测定
• 2.5.4 反应器液滴分布状态
• 2.6 本章小结
• 第三章 反应器工艺参数对含染料废水脱色的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与仪器
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 实验过程
• 3.3.1 实验药品配制
• 3.3.2 标准曲线的绘制
• 3.3.3 实验处理
• 3.3.4 样品测定与数据计算
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 电极间距对染料溶液脱色的影响
• 3.4.2 电源电压对含染料废水脱色的影响
• 3.5 能量效率分析
• 3.5.1 能量效率的计算
• 3.5.2 介质阻挡放电系统电极间距变化时能量效率分析
• 3.5.3 电晕放电系统电极间距变化时能量效率分析
• 3.5.4 电源电压变化时能量效率分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 含直接大红染料废水的性质对其脱色的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与仪器
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.3 实验过程
• 4.3.1 实验染料溶液配制
• 4.3.2 标准曲线的绘制
• 4.3.3 实验处理
• 4.3.4 样品测定与数据计算
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 初始浓度对含染料废水脱色的影响
• 4.4.2 pH 值对含染料废水脱色的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 废水中直接大红染料的脱色过程研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与仪器
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.3 实验过程
• 5.3.1 实验药品配制
• 5.3.2 标准曲线的绘制
• 5.3.3 实验处理
• 5.3.4 样品测定与数据计算
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.4.1 直接大红脱色率
• 5.4.2 脱色过程中COD 的变化
• 5.4.3 脱色过程中pH 值的变化
• 5.4.4 脱色过程中TOC 的变化
• 5.4.5 脱色过程中溶液的光谱变化
• 5.4.6 脱色过程产物分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 放电低温等离子体对染料脱色机理及其动力学分析
• 6.1 引言
• 6.2 染料脱色机理分析
• 6.2.1 放电低温等离子体的作用形式
• 6.2.2 直接大红染料脱色的途径分析
• 6.3 直接大红染料脱色动力学过程研究
• 6.3.1 动力学研究理论基础
• 6.3.2 直接大红染料等离子体脱色过程动力学曲线
• 6.3.3 直接大红染料等离子体脱色动力学曲线的拟合
• 6.3.4 直接大红染料等离子体脱色1 级反应动力学方程及参数
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 建议
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间公开发表论文及著作情况