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1、等離子體水處理技術(shù),種珊 2010.4.9,等離子體簡(jiǎn)介 等離子體氧化機(jī)理 水處理等離子體類型 研究現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì),主要內(nèi)容,等離子體是物質(zhì)第四態(tài)，是由大量的自由電子和離子組成、且在整體上表現(xiàn)為電中性的電離氣體。,00C,1000C,100000C,,,,什么是等離子體,宇宙中90物質(zhì)處于等離子體態(tài),星云,極光,太陽(yáng)表面,閃電,美國(guó)宇航局提供的照片-----南極上空的橢圓形極光,人造等離子體,等離子體科學(xué)在能源、材料、信息、環(huán)保、國(guó)防、微電子、半導(dǎo)體、航空、航天、冶金、生物醫(yī)學(xué)、造紙、化工、紡織、通訊等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器； 工業(yè)應(yīng)用：等離子

2、體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理； 高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡。,人造等離子體,霓虹燈管,等離子電弧焊接,等離子體電弧熔煉,人造等離子體,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制備的用于太陽(yáng)能電池的非晶硅薄膜,核聚變裝置中的等離子體,超大規(guī)模集成電路,等離子體分類,,等離子體,高溫等離子體 如：聚變、太陽(yáng)核心 （電子溫度大于10000）,低溫等離子體 （電子溫度小于10000）,,冷等離子體 如：極光、日光燈,熱等離子體 如：電弧、碘鎢燈,實(shí)驗(yàn)室常用的有熱等離子體（由電弧、電火花或火焰產(chǎn)生）、冷等離子體（由輝光放電產(chǎn)生

3、）和混合等離子體（由電暈放電或臭氧發(fā)生器產(chǎn)生）。,等離子體氧化機(jī)理,高能電子作用 臭氧氧化作用 紫外光分解作用,等離子體氧化機(jī)理,低溫等離子體廢水處理技術(shù)是一種兼具高能電子輻射、臭氧氧化、紫外光分解等三種作用于一體的廢水處理技術(shù)。 三種方法協(xié)同作用時(shí)，處理效果優(yōu)于各方法單獨(dú)作用。,等離子體化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,高能電子作用,首先是液下水分子發(fā)生電離與激發(fā)，在很短的時(shí)間內(nèi)生成離子，激發(fā)分子與次級(jí)電子，再生成反應(yīng)能力極強(qiáng)的物質(zhì)： H20OH+eaq+H+ H2O2+H3O +H2 并發(fā)生下列反應(yīng)，生成游離氧、臭氧和OH自由基： O22O2OH O2（+M）+OO3（+M）,e,+,e,H2O,

4、臭氧氧化作用,臭氧在水中時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，其氧化途徑可由臭氧直接氧化某些有機(jī)物，也可由其分解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物OH自由基氧化有機(jī)物。 OH容易攻擊高電子云密度的有機(jī)分子部位，加在有機(jī)分子碳雙鍵上，脫去有機(jī)分子上的一個(gè)氫，形成R自由基，R自由基又被水中溶解氧進(jìn)一步氧化成ROO自由基，ROO自由基再發(fā)生一系列的反應(yīng)，使水中污染物氧化和分解，最終降解產(chǎn)物為二氧化碳和水。 RH R ROO CO2+H2O,,,,OH,O2,紫外光分解作用,紫外光作用原理是有毒有害物的分子吸收光子后進(jìn)入激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)分子返回基態(tài)時(shí)吸收的能量使其分子鍵斷裂，生成相應(yīng)的游離基或離子。這些游離基或離子易與溶

5、解氧或水分子反應(yīng)生成新的物質(zhì)而被除去。 紫外光和臭氧聯(lián)合使用時(shí)，臭氧在紫外光的照射下與H2O反應(yīng)生成了OH，無(wú)論是在氧化能力還是在氧化速度上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)紫外光分解或臭氧單獨(dú)使用所達(dá)到的效果。,水處理等離子類型,電暈放電 輝光放電 介質(zhì)阻擋放電 滑動(dòng)弧放電 射頻微波放電,電暈放電,將電壓加載在曲率半徑很小的電極上，當(dāng)針狀電極上的電位升高到一定程度時(shí)，針尖附近的強(qiáng)電場(chǎng)就使其周圍的空氣產(chǎn)生電離，從而產(chǎn)生的局部放電甚至?xí)灩獾默F(xiàn)象稱為電暈放電。,高壓脈沖放電,高壓脈沖放電是研究最多的電暈放電形式。 由高電壓脈沖電源產(chǎn)生的極強(qiáng)電流在水中以極短的時(shí)間(納秒級(jí))向放電通道輸入，形成電子雪崩，巨大的脈沖電流使通

6、道內(nèi)形成高能密度，由此引起局部高溫。 在放電過(guò)程中，電子與中性氣體分子和原子進(jìn)行非彈性碰撞，使這些中性分子的激發(fā)、分解和電離更為強(qiáng)烈，產(chǎn)生高氧化活性物質(zhì)(OH 、H2O2等活性粒子)、紫外輻射、高能電子轟擊等，達(dá)到去除有機(jī)物的目的。,高壓脈沖等離子體水處理設(shè)備,南寧超等環(huán)保公司設(shè)計(jì)的等離子體水處理的反應(yīng)裝置圖,高壓脈沖電源用于產(chǎn)生等離子體； 反應(yīng)器則利用產(chǎn)生的活性物質(zhì)以及伴隨產(chǎn)生的熱、光、波等效應(yīng)來(lái)凈化水質(zhì)。,輝光放電,利用外加電場(chǎng)作用，在特定的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)，當(dāng)兩電極間的電壓足夠高時(shí)，則產(chǎn)生明暗不一的區(qū)域，自由電子在電場(chǎng)作用下加速。 獲得一定能量的電子與管內(nèi)氣體分子碰撞，使后者電離而產(chǎn)生次級(jí)

7、電子，電子再被電場(chǎng)加速又碰撞其它分子，如此下去就產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，最后達(dá)到維持放電正常進(jìn)行。,優(yōu)點(diǎn)： 對(duì)電源要求不高，普通的直流高壓電源即可； 可在高電導(dǎo)率廢水下運(yùn)行； 能量效率較高和沒(méi)有電磁輻射。 缺點(diǎn)： 電極較貴； 電源以及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步研制。,介質(zhì)阻擋放電,有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電。 介質(zhì)阻擋放電中使用的絕緣層(阻擋介質(zhì))的典型材料主要包括玻璃、石英、陶瓷、薄搪瓷或聚合物。,優(yōu)點(diǎn)： 電極不易腐蝕（電極不直接與放電氣體發(fā)生接觸）； 具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的可能性（具有電子密度高和在常壓下運(yùn)行的特點(diǎn)）； 可在大氣壓強(qiáng)下工作，而且可以防止在放電空間形成局部火花和弧光放電（放

8、電表現(xiàn)為很均勻、漫散和穩(wěn)定)。,缺點(diǎn)： 介質(zhì)阻擋放電較適合于降解低濃度的有機(jī)廢水，但能耗較高； 需要研究有較高峰值電壓，盡量短的電壓上升沿，以及更大的頻率電源； 反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步優(yōu)化。,滑動(dòng)弧放電,滑動(dòng)弧放電產(chǎn)生一種周期性擺動(dòng)的大氣壓下非平衡等離子體。與輝光和電暈放電相比，滑動(dòng)弧放電能夠提供更高的能量，產(chǎn)生更多種類的活性粒子。,石英絕緣罩主要起著封閉反應(yīng)區(qū)和絕緣的作用。 當(dāng)接通兩電極間電壓，兩電極間最窄處通入的氣體被擊穿，形成電弧，在從噴嘴噴出的高速氣流推動(dòng)下，電弧向下移動(dòng)，形成滑動(dòng)電弧柱。 這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，因此應(yīng)用最廣。,滑動(dòng)弧放電,滑動(dòng)弧放電的主要特點(diǎn)是: 兼有熱等

9、離子體和非熱等離子體的特性； 滑動(dòng)弧放電裝置和電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，操作和維護(hù)費(fèi)用比較低； 滑動(dòng)弧放電過(guò)程中電能直接進(jìn)入反應(yīng)區(qū)域，產(chǎn)生一個(gè)充滿活性粒子的非平衡等離子體反應(yīng)環(huán)境，超過(guò)80%的電能直接被化學(xué)反應(yīng)吸收； 化學(xué)反應(yīng)選擇性好，進(jìn)氣不需要預(yù)處理。,微波放電,微波放電是電磁控制管產(chǎn)生的微波傳入放電室，當(dāng)放電室內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度使得電子的回旋頻率和輸入的微波頻率相等時(shí)，微波使電子運(yùn)動(dòng)加速，促發(fā)等離子體。 微波放電的電離度高，氣體具有更高的活化程度，因而能在更低溫度下獲得和維持具有更高能量的等離子體，更適合對(duì)溫度敏感材料如有機(jī)薄膜的處理，但設(shè)備造價(jià)較高。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在已有許多利用微波放電的例子，如大連

10、化學(xué)物理研究所曾用微波放電來(lái)脫除一氧化氮。,高壓脈沖放電等離子體,滑動(dòng)弧放電等離子體,介質(zhì)阻擋放電等離子體,微波放電等離子體,高壓脈沖放電等離子體,研究現(xiàn)狀,高壓脈沖放電等離子體,用等離子體技術(shù)處理廢水的實(shí)驗(yàn)研究 重慶大學(xué) 楊勝凡 2007,高壓脈沖放電等離子體水處理裝置,實(shí)驗(yàn)研究,高壓脈沖等離子裝置參數(shù)： 電壓值U =70kV，輔助間隙d =50mm，放電主間隙D =40mm，放電頻率f=1.5，反應(yīng)器中安裝5對(duì)電極。 實(shí)驗(yàn)對(duì)象： 焦化廢水和垃圾滲濾液 實(shí)驗(yàn)步驟： 將廢水裝入反應(yīng)器中，經(jīng)空心正電極送入壓縮空氣進(jìn)行放電，總的持續(xù)時(shí)間為30分鐘，當(dāng)放電進(jìn)行到20分鐘時(shí)進(jìn)行一次采樣，然后放電

11、結(jié)束時(shí)再次進(jìn)行采樣，最后將處理后水樣的各種指標(biāo)與原水的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比從而得出一些結(jié)論。,實(shí)驗(yàn)結(jié)論,分析表明： 處理20分鐘與處理30分鐘水樣的各項(xiàng)指標(biāo)變化不大； 處理20分鐘后各項(xiàng)指標(biāo)的去除率：COD降低了62.2%，BOD降低了65.2%，PH值基本保持不變。,焦化廢水,實(shí)驗(yàn)結(jié)論,分析表明： 處理20分鐘與處理30分鐘水樣的各項(xiàng)指標(biāo)變化不大。 處理20分鐘后各項(xiàng)指標(biāo)的去除率：COD降低了52.4%，BOD降低了55.3%，PH值基本保持不變。,垃圾滲濾液,滑動(dòng)弧等離子體,海寧某印染廢水廠，廢水中含有活性染料、酸性染料及直接染料，以及漿料、助劑及無(wú)機(jī)鹽類。廢水在室溫下放置半月，水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定,滑動(dòng)

12、弧放電等離子體-生化法降解有機(jī)廢水的研究 浙江大學(xué) 劉亞納 2008,滑動(dòng)弧等離子一生化法結(jié)合的聯(lián)合降解的工藝流程圖,實(shí)驗(yàn)結(jié)論,未經(jīng)滑動(dòng)弧處理的實(shí)際印染廢水生化降解效果,經(jīng)滑動(dòng)弧處理5min的實(shí)際印染廢水生化降解效果,經(jīng)滑動(dòng)弧處理10min的實(shí)際印染廢水生化降解效果,滑動(dòng)弧等離子體-生化法工藝優(yōu)勢(shì)及不足,優(yōu)勢(shì)： 工藝投資成本和電極更換成本較低； 占地面積?。?工藝簡(jiǎn)單易于控制、高效、快速； 降低廢水的生物毒性，同時(shí)提高廢水的可生化降解性。 存在的問(wèn)題： 等離子體工藝耗電量大、處理成本高，造成整個(gè)聯(lián)合工藝的運(yùn)行成本較高。,等離子高級(jí)氧化(AOPs)污水預(yù)處理機(jī),南寧超等環(huán)保有限公司提供,

13、生活污水： 市政、大型酒店賓館、 休閑旅游度假村的生活污水處理及中水回用。 高濃度難生物降解工業(yè)廢水： 如印染污水、電鍍污水、造紙廢水、化工污水、冶金廠污水、石化污水、酒精制糖污水、淀粉廠污水、填埋場(chǎng)垃圾滲濾液等。 醫(yī)院污水消毒深度處理： 代替二級(jí)生化處理，代替二氧化氯、臭氧消毒。 河湖池塘景觀水凈化： 河流、湖泊、池塘富營(yíng)養(yǎng)化水體除藻與提質(zhì)治理。 循環(huán)水處理（減量化排放）,等離子處理高濃度工業(yè)污水效果圖,從圖中可以看出： 處理過(guò)的水樣澄清透明，色度上已達(dá)標(biāo)； 水中的COD的去除率高達(dá)95%以上，BOD的去除率在90%左右，污水處理各項(xiàng)指標(biāo)均已合格。,工業(yè)污水處理流程圖,以處理1000噸高濃度有機(jī)廢水為例，對(duì)比分析兩種工藝,未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),高效節(jié)能電源的研發(fā) 實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 低成本耐用電極的開發(fā) 組合工藝的優(yōu)化,Thank you!,