第２８卷第８期２００８年８月
工业水处理
ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＷａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔ
Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．８Ａｕｇ．，２００８
Ｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｕｌｓｅｄｃｏｒｏｎａｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｌａｓｍａｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｔｈｅｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｉｔｓｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔ
ＱｉＸｕｄｏｎｇ，ＨｕａｎｇＣｈａｏ，ＧａｏＪｕｎｋａｉ，ＬｉＺｈｉｈｕｉ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙＳｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｔｉａｎｊｉｎ３００４０１，Ｃｈｉｎａ）
脉冲电晕放电等离子体技术在水体污染控制中的研究
现状及前景展望
齐旭东，黄超，高军凯，李志会
（河北工业大学能源与环境工程学院，天津３００４０１）
［摘要］低温等离子体技术在水处理领域的应用尚处于研究阶段，但因其处理效率高和无二次污染而有着广泛的应用前景，且脉冲电晕放电等离子体技术又是其中处理效果最好的一种，作者从多个角度阐述了脉冲电晕放电等离子体技术在水污染控制中的研究现状，并进行了前景展望。
［关键词］脉冲电晕放电；等离子体技术；水体污染控制［中图分类号］Ｘ７０３．１
［文献标识码］Ａ
［文章编号］１００５－８２９Ｘ（２００８）０８－００１０－０３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｒｙｏｇｅｎｉｃｐｌａｓｍａｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｔｈｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｆｉｅｌｄｉｓｓｔｉｌｌｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｐｈａｓｅ．Ｉｔｈａｓｂｒｏａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｔｒｅａｔｍｅｎｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｎｏｎｓｅｃｏｎｄａｒｙｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｕｌｓｅｄｃｏｒｏｎａｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｌａｓｍａｔｅｃｈｎｉｑｕｅｈａｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｍｏｎｇｔｈｅｍ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｅｌｓ，ａｎｄｉｔｓｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄｉｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅｄｃｏｒｏｎａｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｐｌａｓｍａｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ
化工行业由于操作不规范而造成的突发事件会对自然水体、土壤等周边环境造成严重污染，近年
来，这种突发事件在我国频频发生〔
１〕
，并且对传统水处理工艺提出了挑战，如何开发一种高效、实用且无二次污染的新工艺不仅是环保领域迫在眉睫的问题，而且也是国家饮水安全、社会稳定的需要。
等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体，是指自由电子和离子（或原子核）温度相当，所以又称为平衡等离子体；低温等离子体，是指自由电子温度较高（１０４￣１０５Ｋ），离子温度接近常温，所以又称为非平衡等离子体。对于高温等离子体，由于体系温度较高，对反应器材质等要求过高，使其在环保领域的应用受到限制；而低温等离子体用于环保领域则有着得天独厚的优势，在该体系中自由电子等激发态物质具有高温、高活性等特点，而离子温度接近常温，所以体系整体温度并不高，这就
降低了对反应器材质的要求，从而在满足高效、无二次污染等要求的同时，又降低了成本，具有很强的实用性。当前，环保工作者希望通过对该工艺的优化、改造而将其引入到水处理工艺中，进而使其工程化、产业化、市场化。
目前，产生低温等离子体的手段很多，可用紫外辐射、Ｘ射线、电磁场、加热等方法。实验室和工业产品大都采用电磁场激发等离子体，如直流辉光放电、
射频放电、微波放电和介质阻挡放电等〔２〕
。当前，用
在水处理领域的低温等离子体技术主要有直流辉光放电、介质阻挡放电以及脉冲电晕放电等，等离子体技术与传统水处理工艺处理效果的对比见表１。
从表１可以看出，脉冲电晕放电等离子体技术较另外两种低温等离子体技术在水处理中具有一定的优势和发展潜力。而且我们认为可以通过对该技术的研究来开发一种既适合我国国情又能满足水体
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表１等离子体技术和传统水处理工艺处理效果的对比
目标污染物ＵＶ－Ｃ紫外光催化臭氧电子束γ射线辉光放电介质阻挡放电脉冲电晕放电脉冲电弧放电无害砂滤Ｃｌ／ＣｌＯ２微生物☆△☆○☆○○☆☆△○氧化功率Ｘ☆☆☆☆☆☆☆☆Ｘ☆藻类○Ｘ△ＸＸＸＸ△☆△Ｘ尿组分Ｘ○☆☆☆△△☆☆Ｘ○ＶＯＣｓＸ○○○△△☆○ＸＸ无机物Ｘ△△△△△△○○○Ｘ注：☆—好；○—适中；△—不完全；Ｘ—无。
污染突发事件应急之需的安全的水处理新工艺。
１当前研究现状及可以突破的几个方向
１．１反应条件的优化
反应条件包括脉冲电源参数，如脉冲电压峰值、脉冲宽度、脉冲前沿上升时间、脉冲频率等；电极参数〔３〕；反应器的设计参数〔４，５〕；原水性质等。
通过对反应条件的优化，可以提高其对目标污染物（如硝苯，４－氯酚〔６，７〕，苯酚〔８〕）的处理效率，降低成本。当前此研究进展较顺利，研究内容主要包括：（１）电源各参数的优化，包括脉冲电压峰值和脉冲频率等对目标污染物降解效果的影响；（２）电极间距对目标污染物降解效果的影响；（３）气体种类和流量对目标污染物降解效果的影响；（４）原水性质（目标污染物起始浓度、目标污染物结构、ｐＨ、自由基清除剂和缓冲剂等）对目标污染物降解效果的影响。
所以，我们可以进一步通过选定电源、反应器、电极、目标污染物（代表性污染物）等，进而优化反应条件，考察在最佳反应条件下脉冲电晕放电技术对目标污染物的去除率，粗算成本，初步判断该技术在处理水体污染突发事件中的适用性和实用性，换言之，也就是确定该技术在水处理领域的应用潜力以及对其后续的研究是否有必要。
１．２高效反应器形式的设计
反应器的材质一般选用不锈钢〔７〕，因为它抗高温，并且耐腐蚀。反应器形式影响水体流态，从而影响着水的传质过程，进而影响着对水体污染物的去除效果。所以，高效反应器的设计是本研究的重要环节之一。
当前反应器的形式主要是序批式反应器或ＣＳＴＲ的改进型〔９，１０〕。在今后的研究中，我们可以对反应器进行进一步改造，有以下几个努力方向值得尝试：反应器形式、材质不变（ＣＳＴＲ，不锈钢），进水采用射流形式，进水方向与等离子体气体入口方向相同，这样可以大大提高传质效率；为了充分利用等离子体中的紫外线等，可以将反应器内壁涂上一层ＴｉＯ２等光催化剂（选择难溶于水，且对人体无害的材料），由此发生光催化反应而产生ＨＯ?，进而提高能量利用效率；其他催化组分制成球状或网状的复合催化剂，使其悬浮或悬挂在反应器内；反应后水体的余热要求回收，从而降低成本，如果只是短期的应急设施，可以考虑暂时满足周边地区居民的洗浴、供暖之需，如果长期运行该等离子体设施，可以考虑将其转化成其他能量形式，这个环节很重要，因为能量的回收可以降低处理成本，提高技术的实用性。
１．３新型电极的开发
电极的材质和形式是决定其安全性、高效性的主要原因，当前研究主要从两个方面进行突破：一是电极材质，二是电极形式。
１．３．１电极材质的选定
当前，镍铬合金、铁合金等材质的电极应用最为广泛〔１１，８〕，其中铁合金是首选，因为适量的铁元素对人体有益，而且过量的铁可以通过常规工艺（此工艺已基本成型）去除。
铁合金的掺杂元素要选择与铁元素氧化还原电位相近的对人体无害元素，因为这样可以避免形成原电池，减缓电极的腐蚀及避免对水体造成二次污染。
１．３．２电极形式的选择
当前，电极的基本形式主要有针板式、网板式、线板式、环筒式等〔７，９，１２〕。因为开发出一种全新的电极基本形式难度很大，所以我们尝试通过对常见电极基本形式的改造来提高放电效率，例如电极基本形式的“串联”（如多级网板间隔布置）、“并联”（如多针一板电极）、以及在电极之间填充电介质等。
１．４高效、廉价催化剂的研制
化工反应中投加催化剂的目的是为了提高反应的转化率和速率，最终目的是为了降低反应的成本，我们就是本着这个思想开发合适的催化剂。
首先需要弄清楚反应的基本过程，脉冲电晕放电等离子体在水体中会产生电子、离子、激发态分子、中性或带电的自由基、中性分子以及冲击波〔１３〕，主要有ＨＯ?、Ｈ?、Ｏ２－?、Ｈ２Ｏ２、Ｏ３、紫外线等。ＨＯ?的氧化性仅次
齐旭东，等：脉冲电晕放电等离子体技术在水体污染控制中的研究现状及前景展望工业水处理２００８－０８，２８（８）
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于氟，反应过程温和、安全且对人体无害，所以我们的指导思想就是将以上这些物质（Ｈ?、ＨＯ２?、Ｏ２－?、Ｈ２Ｏ２、Ｏ３、紫外线等）尽最大可能转化成ＨＯ?。例如，可以通过投加Ｆｅ２＋催化Ｈ２Ｏ２产生ＨＯ?〔１４，１５〕，但这将引入阴离子对水体造成二次污染。为了避免这个问题，我们试图将Ｆｅ２＋与长链阴离子结合，这种阴离子难溶于水（甚至是固体），如树脂、沸石等；紫外线如前所述；通过控制Ｆｅ２＋和Ｆｅ３＋的物质的量比把ＨＯ２?转化成ＨＯ?；微波通过在铁氧化物上形成热点来提高该工艺的效率；Ｏ３暂存于水中留作消毒之用。如何将这些催化成分组合起来制成复合催化剂，这是我们需要突破的难点，我们试图将这些成分制成纳米颗粒复合催化剂，以提高其催化效能。
２该技术与其他工艺联合应用
当前，等离子体技术在水处理中的应用还处在研发阶段，工程应用还尚需时日，但随着等离子体技术的不断完善，它必须与其他工艺联合应用，取其长而避其短，充分开发该技术的潜力，才能更好地服务于水处理工程。
我们采用水中有机物的相对分子质量分布作为评价指标，由此将水中有机物的相对分子质量分布分成几个区间段：较大的分子可以采用强化混凝、深层砂滤等常规工艺去除；中间分子（尤其是环状或毒性有机物）可以采用等离子体技术去除，这一步主要考察适合该技术的有机物相对分子质量分布区间段、完全矿化程度以及不同工况对应的残余有机物相对分子质量分布；残余有机物通过膜分离（如反渗透等）或活性炭吸附等工艺去除；最后，核算成本。通过以上努力，我们可以弄清楚该技术在组合工艺中所处的地位和应该承担的任务，也就可以最大程度地挖掘该技术对污染物的去除能力和市场化潜力。
３等离子体水化学反应机理研究
弄清楚等离子体水化学反应机理，属于化学反应动力学的范畴，它实际上是提高等离子体技术在水处理工程中的效率以及降低成本的关键所在，此项任务难度较大，任重而道远，是我们研究的方向。
笔者初步选定以下突破点：摸索出一套反应后水中有机物矿化率和活性物质产生量与电能消耗量的经验公式；力争弄清楚各种活性物质与水中有机物分子反应的先后顺序以及各自优先进攻的官能团等。４结论
电晕放电等离子体技术具有高效和无二次污染的特性，所以将其用于水污染突发事件的应急处理中有着得天独厚的优势，但由于用电成本较高，因此，需要进一步完善工艺，降低成本。笔者在查阅大量文献的基础上，提出以上几点努力的方向，仅供参考。
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［作者简介］齐旭东（１９８１—），教师，研究方向：污（废）水处理及其资源化，电话：０２２－６０４３５７７５，Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｂｙ１９８１＠ｈｅｂｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。［收稿日期］２００８－０５－０８（修改稿）
工业水处理２００８－０８，２８（８）
专论与综述１２