过硫酸盐辅助液相脉冲放电等离子体降解水中有机污染物

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高压脉冲放电等离子体技术可以产生活性自由基、高能电子、紫外辐射等物理化学效应,具有降解污染物彻底、无二次污染等优点。在水中直接引发液相等离子体可用来处理水体中的有机污染物,但是,由于所产生的物理和化学效应没有被有效利用,存在能量利用率低等缺点。如何提高液相等离子体水处理的降解效率和能量利用率成为当前研究的热点。本文提出向液相等离子体体系内添加少量过硫酸盐,利用过硫酸盐可被还原性粒子激活(如水合电子eaq-)产生氧化性粒子(如硫酸根自由基SO4-·)的特点,采用过硫酸盐辅助液相脉冲放电等离子体技术降解水中有机污染物,通过分离液相放电体系的氧化性和还原性粒子,提高液相等离子体的能量利用率。论文主要研究了过硫酸盐辅助的液相脉冲放电等离子体体系降解2,4-二氯苯酚(2,4-DCP),苯酚,2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D),腐殖质(HA)和全氟辛酸(PFOA)的效果,通过比较液相等离子体添加过硫酸盐前后,污染物的降解速率和能量效率的变化,证实过硫酸盐辅助液相等离子体降解污染物的降解效率和能量效率被显著提高。主要研究成果如下:(1)在液相脉冲放电体系中添加10 mg/L过硫酸盐,可显著提高2,4-DCP的降解效率,2,4-DCP降解速率常数k从0.144 min-1提高至0.2909 min-1,能量效率G50从4053.62 mg/kWh 提高至 6619.11 mg/kWh,协同因子为 2.01。(2)探究了过硫酸盐辅助液相脉冲放电等离子体体系的放电特性:峰值电压,电极间距,过硫酸盐添加量等对该体系的影响。结果表明:最佳处理条件为放电电压15 kV,放电频率25Hz,放电间距4mm,过硫酸盐投加量为10mg/L;在此条件下,初始浓度为60 mg/L的2,4-DCP放电时间20 min几乎完全降解,降解速率为0.2909 min-1,G50 为 6619.11 mg/kWh。(3)对过硫酸盐提高液相脉冲等离子体降解效率和能量利用率的机制做了研究。相同电导率条件下,添加NaCl和Na2SO4不能产生与Na2S2O8类似的促进效果,说明效率的提高与过硫酸盐的活性有关;自由基猝灭实验表明除了SO4-·和·OH等氧化性自由基参与了 2,4-DCP的降解,eaq-也对2,4-DCP的降解有重要作用;研究了液相反应器,气相反应器,以及气液混相反应器三种条件下,过硫酸盐对降解效率k和能量利用率G50的影响,发现过硫酸盐可提高液相放电的k和G50,而对气相放电和气液混相放电影响不显著。结果说明,直接在液相中引发等离子体有利于生成水合电子,过硫酸盐被水合电子激发产生硫酸根自由基,使体系中的还原性粒子eaq-转化为氧化性SO4-·,从而提高体系的污染物降解效率和能量利用率。(4)研究了过硫酸盐辅助的液相脉冲放电等离子体对苯酚,2,4-二氯苯氧乙酸,腐殖质,全氟辛酸的降解效果。结果表明添加10 mg/L过硫酸盐可显著提高这四种有机物的降解效率和能量利用率。降解苯酚的G50从4868.13 mg/kWh增大至5955.18mg/kWh;2,4-二氯苯氧乙酸的G50从5953.96 mg/kWh增大至7723.11 mg/kWh;腐殖质的G50从655.53 mg/kWh 增大至 983.30 mg/kWh;PFOA 的 G50 从 122.75 mg/kWh 增大至 301.34 mg/kWh。发射光谱结果表明在过硫酸辅助液相等离子体降解PFOA的体系中·H,·O和·OH发挥着重要作用。本文研究结果说明过硫酸盐辅助液相脉冲放电等离子体可以通过调控液相放电体系的氧化还原反应,减少水合电子等还原性粒子与·OH等氧化性粒子的复合反应,从而提高液相放电等离子体水处理技术的能量效率。
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