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

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。

目录

文摘

英文文摘

声明

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

6.3.2直接大红染料等离子体脱色动力学曲线的拟合

6.3.3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