染料废水等离子体处理技术的研究进展

张 其，杜胜男，米俊锋，刘胜利

（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

染料废水等离子体处理技术的研究进展

张 其，杜胜男*，米俊锋，刘胜利

（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

综述了产生等离子体的方法，除高压脉冲放电法以及辉光放电法以外，还有电弧放电法，客观认为介质阻挡放电更具潜力。阐明了等离子体的本质，以及降解染料废水的原理和优缺点，简单介绍了各类方法的发展现状以及应用前景，同时在查阅国内外资料的基础上列举了相关实验实例。

染料废水；等离子体；放电；活性粒子；高压脉冲

出于工业发展的不断进步，不断增加的工业废水问题亟待解决，而染料废水问题更是重中之重。它脱色难而且对水环境危害严重，具有机物浓度、色度、无机盐含量高，水质变化大，成分复杂，生物处理效果不理想等特点，传统的污水处理技术已经难以完成对其达标排放处理,若不进行有效治理，将会严重影响人体健康和环境状况，所以社会各界都非常重视染料废水的处理问题[1,2]。近年以来,在水处理领域当中以产生等离子体为主的高级氧化技术日益蓬勃，并且诸多学者已经应用到了染料废水方面进行研究。

1 等离子体的相关特性

等离子体是物体存在的一种特殊状态，它区别于气态，液态及固态，另外它的电离度超过0.1%，是由除大量的中性原子、光子和自由基以外，还有显电性的电子和离子组成，正离子的正电荷数等于电子和负离子的负电荷数，整体以电中性表现的电流体[3]，在与周围水分子接触碰撞时，又会产生像H·、·OH、H2O2等等氧化性极强的活性粒子。这些强氧化性粒子可以通过反应，能够高效快速的对废水中的有机物进行处理。被用于染料废水处理的具有操作装置简单，简便，而且高效率，低成本，不引入二次污染等特点的等离子体技术是一种高新技术[4-7]。

2 废水处理方法

2.1 高压脉冲放电法

高压脉冲放电法（High-voltage pulse discharge)是指水处理反应器中叠加一个高压脉冲，电压升高时间短，脉冲宽度窄，所以高压脉冲产生了高能电子，该类电子在与水分子碰撞时，又产生了氧化性极强的活性粒子（·OH, H·等），这种具有强氧化性的活性粒子可以反应去除废水中的有机物[8,9]。在处理多种染料废水时，胡祺昊[10]等采用了高压脉冲放电法，并得出了经该方法处理非常理想的实验结果。Sidney J[11]第一次采用单针-板式反应器来对水中的蒽醌染料进行降解，仅仅有不到20%的染料未被降解，且在给反应器里冲进N2和O2时会有O3生成。对于罗丹明、芝加哥天蓝B和甲基橙三种染料混合的模拟染料废水的，Anto等[12]使用单针-板式反应器处理，脱色效果较为理想。然而在对酸性橙II染料废水进行实验处理时，王慧娟等[13]采用多针一板式反应器的高压脉冲放电法对酸性橙II染料废水进行降解，实验结果表明，采用这种方法对其进行处理，具有十分显著的脱色效果，除此之外在电极间距为0.25 m，脉冲电压30 000 V，脉冲频率是75 Hz的情况下，处理1小时后，这种染料废水的脱色率竟然高达了92.7% 。

高压脉冲放电法处理印染废水降解效率较高，可以说应用前景广阔。然而目前该方法存在的几点局限亟待解决，譬如能量利用率较低、耗能较高、还有电源问题。然而这些局限性恰恰制约了其对有机染料废水的工业化发展[14]。

2.2 辉光放电法

辉光放电法(Glow Discharge Electrolysis)是低气压放电，即在高压电场的调控下，当反应器内阴阳两极间的电压达到足够使周围溶剂和针状阳极电极间产生闪光并伴随会产生紫外光和冲击波，周围溶剂由于汽化将产生强氧化性活性粒子·OH, H·,H2O2等，这些强氧化性粒子将待处理有机物彻底降解为二氧化碳，水和无机盐[8]。高锦章等[15]对茜素红的处理的实验就是采用的辉光放电法，结果显示，在反应液酸碱性接近中性时，用辉光放电法处理1h后，就能将目标染料完全降解掉，而在该过程中溶液酸性增强，说明此实验中产生了酸类物质。在对伊红B模拟染料废水采取实验降解时，陆泉芳等[16]使用辉光放电法，结果表明，伊红B被彻底降解;反应了1 h 50 min后，仅相差5%就脱色完全，pH下降。同样使用了辉光放电等离子体法处理主要污染物为橙黄G偶氮的废水，莫玉琴等[17]的实验结果显示，在无催化剂的情况下，在对橙黄G处理1小时后，未降解率为28.32%；同样的时间下，催化剂Fe2+存在时未降解率仅仅为7.52%和催化剂MnZ+存在时未降解率也只不过10.31%。

辉光放电法在染料废水的处理应用中具有降解效率高和降解时间短等优势。但在工业染料废水的处理应用中尚未成熟,至今还存在许多问题，例如电极易被氧化、成本难以降低等，对该技术的发展及应用产生了限制作用[9]。

2.3 滑动弧放电法

正滑动弧放电法(Gliding arc discharge)这种新型低温等离子体技术产生非平衡等离子体能够在常压下进行[18]。在一对弧状电极间施加高压，至使在电极最窄处击穿，从而形成放电电弧，再通入气体把电弧向上推动，使得电弧长度在移动中不断增大，在电弧的长度达到最大时，该电弧失去，同时新的电弧立即生成，并不断增大。产生的高能电子及高活性氧化物将有机污染物氧化、分解。与其他放电方法相比，大气流量可以利用在该技术当中，来形成等离子体炬，从而将会更广泛的应用大气压非平衡等离子体[8-9]。严建华等[19]对甲基紫的处理实验研究以滑动弧等离子体法的形式进行开展，为了对甲基紫的降解率及降解产物进行了深入研究，他们分别在空气、N2和O2三种气氛下进行了实验，实验结果显示，甲基紫在N2环境下的处理效果要略逊于在空气和O2条件下；·OH是在这三种不同的气体环境下放电产生的数量相对最多的自由基。在对降解高浓度苯酚的研究当中，李晓东等[20]就采用了气液滑动弧放电非平衡等离子体法，结果表明，在以 O2为载气的情况下可以充分利用放电产生的高能粒子，增强苯酚降解的程度，使用该方法增大了气水混合程度，废水的雾化效果也相应的得到了加强，实验最终的TOC值由300 mg/L下降到44mg/L;目标染料的降解效果也会得到提高。Moussa D[21]对核废弃有机溶剂三磷酸丁酷的处理采用液相处理装置，而对降解产物进行分析时采用核磁共振、气相色谱和红外光谱，发现在降解过程当中 HO·起主要作用，在降解动力学中处一级，CO2和 H3PO4为其主要降解产物。E.B.Tsagon Sobze[22]等人将甲苯和乙酸乙酷液体中总有机碳的90%转化为了CO2和CO，他们所采用的就是这种液相处理装置。

滑动弧放电法的优点有尺寸较小，操作方便，电源和处理装置简单等，因此应用领域十分乐观。但鉴于该技术水平仍然属于初级层面，要想在实际工业废水的处理中切实投入，尚应该对该技术进一步开发[9]。

2.4 介质阻挡放电法

介质阻挡放电法( Dielectric barrier discharge)即在一个或两个电极上添加上电介质，或者可以把介质吊在放电空间的间隙。当把足够高的交流电压通入在放电电极上时，两电极间的气体被高气压打穿，从而产生电离放电的现象。在水中应用介质阻挡放电形式，其目的是避免在高电导情况下回路中产生漏电的电流。在介质存在的情况下，有利于两侧电极，从而提高电极的使用时长[3]。

而对靛蓝二磺酸钠染料废液进行的脱色降解，采用介质阻挡雾化放电装置，王占华等[3]获得结果显示，极板间电压为30 000 V，当极间间隙为3 cm,反应时间1 080 s时，试剂的脱色率超过95%；而且在空气间隙为3 cm，电压是25 000 V时，能够在消耗较低的能量下实现较好的脱色效果。采用介质阻挡放电原理的刘强等[23]设计出能够将废液和废气同时进行处理的装置。实验结果表明，只降解甲苯时效果良好，在降解甲苯和染料废水混合液时也能够达到较为理想的降解效果。Young Sun Mok等[24]把废水作为一个电极，为了提高废水与等离子体的接触面积，将介质阻挡放电过程当中的活性粒子以及紫外光直接对废水进行处理作用，等离子体效率也得到了提高，并且废水对电极还有降温作用。

对于介质阻挡放电系统的研究尚属实验研究阶段，对于推广到实际污水处理当中仍需进一步研究[3]。

3 结束语

大多数的研究显示利用等离子体处理染料废水具有高效率，时间短等优点，无论等离子体以何等设备、何种方法产生，凭借它的高氧化性，利用·OH、H·等粒子都能将有机染料快速高效的降解，但是利用等离子体降解染料废水技术尚未成熟。随着工业水平的不断提高，染料废水逐年增长，所以染料废水处理急需解决。这就要求开发出既没有二次污染又运行简单而且费用低高效率的处理工艺，来缓解当前局势，享受技术革新带来的改变。因此我们必须加快技术革新的步伐，让新技术早日造福人类。

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Research Progress in Dye Wastewater Plasma Treatment Technology

ZHANG Qi，DU Sheng-nan*，MI Jun-feng，LIU Sheng-li
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The methods for generating plasma were reviewed, including the high-voltage pulse discharge, glow discharge, arc discharge, dielectric barrier discharge. The nature of the plasma was clarified as well as the degradation principles of dye wastewater, advantages and disadvantages. Development and potential application of various types of methods were introduced, relevant experimental examples were listed after checking domestic and international data.

dye wastewater; plasma; discharge; active particles; high voltage pulse

X 511

A

1671-0460（2016）11-2625-03

2016-05-09

张其（1994-），男，河北衡水人，研究方向：主要从事能源环境方面研究。E-m ail：1753125137@qq.com。

杜胜男（1984-），女，讲师，博士，研究方向：从事三废治理及能源方面工作。E-m ail：dusn808@163.com。