氣液混合放電特性的研究及滅藻的應(yīng)用.pdf

1、船舶壓載水引起的外來(lái)物種的入侵是全世界面臨的最嚴(yán)峻的問(wèn)題之一，它對(duì)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)都造成了很大的危害。為了解決這個(gè)問(wèn)題，很多學(xué)者提出了許多壓載水微生物滅活的解決方案。然而，現(xiàn)有的處理方法還有很多弊端，有些不安全，有些成本太高，因此更有效的處理方法仍然在研究。最近，液相高壓脈沖放電等離子體技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域，此方法的優(yōu)點(diǎn)在于成本較低，處理效率高，空間占用量小。本研究是氣液混合高壓脈沖放電等離子體技術(shù)應(yīng)用于壓載水處理進(jìn)行可行性技術(shù)

2、探索，考察液相高壓脈沖放電等離子體對(duì)藻類(lèi)的殺滅效果。
　　 本實(shí)驗(yàn)利用多針對(duì)板反應(yīng)器氣液混合放電對(duì)四種藻(金藻，新月菱形藻，扁藻，小球藻)的殺滅機(jī)制進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)分四個(gè)方面的內(nèi)容：(1)多針對(duì)板反應(yīng)器氣液混合放電特性的研究；(2)通過(guò)發(fā)射光譜對(duì)放電產(chǎn)生的自由基特性進(jìn)行了研究；(3)過(guò)氧化氫和臭氧的形成機(jī)制的研究；(4)放電參數(shù)對(duì)藻類(lèi)滅活效果的影響。
　　 首先，通過(guò)改變放電參數(shù)對(duì)反應(yīng)器的放電特性進(jìn)行了研究，如改變脈沖峰

3、值電壓，脈沖頻率，水面到針尖的距離(ds)，電導(dǎo)率。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣相采用四種不同的氣體作為放電介質(zhì)。結(jié)果表明，脈沖峰值電壓增高，脈沖頻率增大，針尖與水面的距離(ds)減小，注入反應(yīng)器中的能量增大。因?yàn)槊}沖峰值電壓和頻率越高，針尖與水面的距離越小，電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)增大，隨之產(chǎn)生更大的電離能和更多的活性自由基(如·OH，·H，·O，·HO2，O3)，也會(huì)增加反應(yīng)器中溶液的導(dǎo)電性。這種反應(yīng)器具備如下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)電暈放電和火花放電可相互轉(zhuǎn)換

4、，在特定條件下同時(shí)發(fā)生，(2)無(wú)論電導(dǎo)率低還是高，這種反應(yīng)器都能放電。
　　 第二，為了研究放電過(guò)程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)種類(lèi)和它們的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，通過(guò)光電多通道光譜分析儀對(duì)其發(fā)射光譜進(jìn)行了測(cè)定，檢測(cè)脈沖峰值電壓的變化對(duì)自由基形成的影響，不同氣體對(duì)自由基產(chǎn)生的影響也進(jìn)行了研究和比較。發(fā)射光譜測(cè)定結(jié)果顯示，氣相為氧氣時(shí)·OH，Hα和氧自由基發(fā)射強(qiáng)度比氣相為其它氣體時(shí)高。這是因?yàn)闅庀嘀凶⑷胙鯕鈺r(shí)更多的氧分子被電離成氧原子，形成的氧原子又很

5、容易與水分子結(jié)合形成OH自由基，進(jìn)一步與OH自由基反應(yīng)形成氫原子。脈沖峰值電壓升高，放電能量，放電電流都增大，形成了更多的等離子體通道，OH自由基和原子氧的發(fā)射強(qiáng)度增加。
　　 第三，過(guò)氧化氫和臭氧是脈沖放電產(chǎn)生的主要的長(zhǎng)壽命活性物質(zhì)，因此對(duì)其在不同條件下的產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了研究。液相中的臭氧濃度用碘量法測(cè)定，氣相中的臭氧濃度用臭氧氣體分析儀測(cè)定。比色法測(cè)過(guò)氧化氫的濃度。反應(yīng)器氣相分別使用氧氣、空氣、氬氣、氮?dú)?種氣體。測(cè)定改變脈

6、沖峰值電壓、處理時(shí)間、溶液電導(dǎo)率和溶液pH，對(duì)過(guò)氧化氫和臭氧形成的影響。當(dāng)脈沖峰值電壓、脈沖頻率和處理時(shí)間增加，過(guò)氧化氫和臭氧的濃度隨之增加。脈沖頻率增加，單位時(shí)間內(nèi)放電次數(shù)增加，產(chǎn)生了更多的高能電子、羥基自由基、活性氧和其它強(qiáng)氧化性物質(zhì)。放電處理時(shí)間增加，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)的產(chǎn)生更多的過(guò)氧化氫和臭氧導(dǎo)致過(guò)氧化氫和臭氧的濃度增加。pH高的溶液過(guò)氧化氫和臭氧的濃度比pH低的溶液濃度高。這是因?yàn)閜H低的溶液還有大量的H+，與海水中的C1-和大量的

7、H2O2發(fā)生反應(yīng)，生成HOC1和H2O，導(dǎo)致形成的過(guò)氧化氫大量減少。對(duì)于臭氧形成，當(dāng)pH增加的時(shí)候，臭氧形成率急劇增加。這或許是因?yàn)楫?dāng)pH增加的時(shí)候，OH自由基形成顯著增加。過(guò)氧化氫和臭氧在四種氣體中放電產(chǎn)生的濃度從高到低依次為氧氣>空氣>氬氣>氮?dú)狻庀酁檠鯕鈺r(shí)過(guò)氧化氫和臭氧的濃度最高，主要原因是氧氣作為氣相放電時(shí)，不僅僅產(chǎn)生大量的·OH還產(chǎn)生大量的活性物質(zhì)如臭氧(O3)過(guò)氧化物(O2-)和純態(tài)氧(1O2)，這些活性物質(zhì)可以在氣液兩相

8、接觸面形成更多的過(guò)氧化氫。
　　 第四，研究了多針對(duì)板氣液混合放電反應(yīng)器的放電參數(shù)對(duì)藻類(lèi)的滅活效果。當(dāng)脈沖峰值電壓、脈沖頻率和放電處理時(shí)間增加，藻的存活率降低，殺滅率可達(dá)到100％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖峰值電壓28kV，脈沖頻率30Hz，放電處理時(shí)間7 min時(shí)，金藻的殺滅率可達(dá)到100％；脈沖峰值電壓28kV，脈沖頻率30Hz，放電處理時(shí)間9 min時(shí)，新月菱形藻的殺滅率達(dá)到100％；脈沖峰值電壓28 kV，脈沖頻率30 Hz，

9、放電處理時(shí)間10 min時(shí)，小球藻的殺滅率達(dá)到100％；脈沖峰值電壓30 kV，脈沖頻率30 Hz，放電處理時(shí)間15 min時(shí)，扁藻的殺滅率可達(dá)到100％。因此可知，四種藻相比較，扁藻最難殺滅，其次是小球藻，新月菱形藻第三，金藻最容易殺滅。不同的殺滅難度取決于不同藻類(lèi)的細(xì)胞種類(lèi)和細(xì)胞體積。當(dāng)通入氧氣、空氣、氬氣和氮?dú)?，峰值電?8kV，脈沖頻率30Hz，放電處理時(shí)間10min時(shí)小球藻的殺滅率分別為98.2％，93.4％，85.5％和76

10、.8％。因此可以推斷出殺滅效果氧氣>空氣>氬氣>氮?dú)??？諝庾鳛闅庀鄷r(shí)只產(chǎn)生少量的·O，·H，O3和其它活像物質(zhì)，因此低于氧氣作為氣相時(shí)放電的殺滅率。氬氣的電離能低于氮?dú)?，可以產(chǎn)生更多的高能電子，所以氬氣作為氣相時(shí)比氮?dú)鈿缏矢?。此外，氬氣是一種惰性氣體，很難捕獲電子，因此等離子體通道中的高能電子可以與水分子碰撞產(chǎn)生更多的羥基自由基和氫原子。
　　 最后，對(duì)藻類(lèi)滅活的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，探討了不同脈沖放電下