摘 要 气液两相滑动弧放电是近年来出现的一种新型低温等离子体废水处理技术,对高浓度有机废水具有很好的降解效果。为了认识气液两相滑动弧放电降解有机废水的机理,用发射光谱法对气液两相滑动弧在空气中放电所产生的主要自由基进行了实验研究,分析了自由基持续再生的化学过程。通过对光谱线强度变化的分析,得到了OH和NO自由基谱线强度在放电反应空间的分布特点,以及输入电压和液相(水)流量因素对OH和NO自由基产生过程的影响。结果表明: OH是气液两相滑动弧放电的主导自由基; OH和NO自由基谱线强度沿着电极中轴均先增后减;在非平衡区域,自由基谱线强度随着输入电压的增大而增大; OH自由基谱线强度随水流量的增大而增大, NO自由基谱线强度则随着水流量的增大而减小。
滑动弧放电是20世纪90年代初由Czernichowski提出并发展起来的一项可用于处理工业废气的低温等离子体新技术,如消解二氧化硫、硫化氢、氮氧化物和氟利昂等[1]。国内,浙江大学热能工程研究所率先进行了滑动弧处理高浓度有机废气的研究,发现滑动弧能够同时脱除PAH和碳黑颗粒[2],并成功地将该技术应用于家具厂喷漆废气的处理。同时,浙江大学热能工程研究所在分析了滑动弧等离子体特性和液电效应后,提出了一种降解高浓度有机废水的全新技术———气液两相滑动弧放电[3]。
气液两相滑动弧技术在处理有机废水方面表现出了极强的潜力:杜长明利用该技术降解含酚类废水,以空气为载气时, 200 mg·L-1苯酚溶液的最大降解率可达96%,处理4-氯酚废水76 min后,溶液中的COD降解率为88·68%[4, 5]。本文研究了气液两相滑动弧处理1 000 mg·L-1甲基紫废水,以空气为载气通过四次循环降解, COD降解率可达93·2%[6]。此外,该技术对制药废水和生产DSD酸的浓缩废液的处理结果表明CODcr, BOD5和NH3-N等去除率均可达99%以上[3]。
气液两相滑动弧放电的降解效果与其复杂的物理化学过程密切相关,放电过程中的自由基测量,对研究滑动弧放电降解环境污染物的机理是十分必要的。
发射光谱诊断技术具有灵敏度高、无干扰性、获得的光谱信息丰富等优点,是目前测量等离子体温度较为理想的诊断方法,其原理是通过光谱仪测量等离子体射流的发射光谱,根据光谱信号与等离子体射流的温度、粒子成分和粒子密度等参数之间的关系来反映等离子体射流的物理状态及其过程[7, 8]。Benstaali等对湿空气滑动弧放电的发射光谱进行了测量,分析了OH与NO自由基浓度沿电极中轴的变化,两种自由基的参比波峰分别是λNO·=235·85 nm,λOH·=308·97 nm,研究表明两种自由基浓度沿电极中轴基本保持不变[9]。
本文利用发射光谱对气液两相滑动弧放电产生的自由基进行了在线检测。在保证实现对自由基光谱可靠测量的同时,采取了与实际应用十分接近的测量环境,在常温常压下直接对反应装置进行开放式系统发射光谱测量。通过研究输入电压和水流量对自由基生成以及自由基的空间分布的影响,得到对放电参数有指导性的结论。
反应器包括滑动弧放电电极、雾化喷嘴、气液源、电源。输入气体是空气,液体为去离子水。电极为刀型不锈钢电极(长100 mm,宽25 mm,厚4 mm),电极间最窄处距离为3 mm,空气和水通过雾化喷嘴产生气水混合物。电极连接交流220 V/10 kV漏磁变压器和0~250 V的调压器,变压器可以产生10 kV交流电压和100~200 mA的电流,最大输出功率为2 kW。喷嘴位于两电极的中轴上方2cm处。气体流量利用七星华创质量流量计控制,液体流量由调整喷嘴旋钮和虹吸高度来控制。当电极接通高压电源时,两电极间距最窄处击穿形成弧光放电,去离子水和空气通过雾化喷嘴雾化成液雾,推动电弧向下游移动,电极间的距离进一步增大,当电弧无法维持热力学平衡时而熄灭,与此同时,电弧又从电极间距离最小处击穿起弧,重复上述过程,气液混合物推动电弧移动,形成气液两相滑动弧放电等离子体。
滑动电弧的光信号透过双凸透镜聚焦进入光纤,然后导入单色仪(SP300,光栅1 200 lines·mm-1,闪耀波长350nm,狭缝为250μm,分辨率为1 nm,检测设备为CR131型光电倍增管),信号通过数据采集卡输入计算机,经过软件处理得到发射光谱图。从本质上看,电弧沿着电极中轴高速运动,滑动弧放电是一种非稳定的和不均匀的放电,所以沿着电极中轴光强实际上也是在运动的,对这种放电产生的等离子体,测量它的瞬态参数对于工程应用缺少实际的意义,因此,在光谱测量实验中和数据处理时,要进行时间平均和空间平均处理。
在气液两相滑动弧放电中,有大量OH自由基存在, OH自由基的强氧化性在气液两相滑动弧处理高浓度有机废水中起着主导作用。同时NO是空气中滑动弧放电具有酸效应的主要原因,但由于水的加入NO浓度大大减小。
利用实验测量得到的滑动弧光谱,根据Peyrous模型并结合Benstaali对湿空气滑动弧放电中的自由基的研究[9],我们分析了以空气为载气的气液两相滑动弧放电中自由基最可能的生成过程及发光猝灭过程。
纯气相滑动弧放电区域沿电极中轴线下游方向可分为:
介质气体击穿阶段、平衡阶段和非平衡阶段。我们发现气液两相滑动弧放电形态沿着中轴线也有这类似的趋势。
本文利用发射光谱技术对气液两相滑动弧放电中自由基进行了研究。结果表明,
(1)当载气为空气时,气液两相滑动弧能产生大量的OH,沿着电极中轴自由基光谱强度具有先增后减的趋向分布。自由基主要集中在放电的非平衡区域,且电弧的黄色弧晕区可能是自由基的主要产生区域。
(2)水流量的变化会对放电区域的空间分布产生影响,随着水流量的增大, OH自由基的生成量也随之增大,当水流量达到一定值,其生成量出现饱和,而NO自由基的生成量则随着水流量的增大而减小。
(3)提高输入电压有利于OH自由基和NO自由基的生成,从非平衡区域开始,自由基的谱线强度均随着输入电压的增大而增大。
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