垂直磁场对DBD降解亚甲基蓝模拟废水的影响_卢洪伟.pdf

垂直磁场对DBD降解亚甲基蓝模拟废水的影响卢洪伟1，2，金东翰1，查学军1，2（1.东华大学理学院，上海201620；2.东华大学磁约束核聚变教育部研究中心，上海201620）摘要：研究了垂直磁场对介质阻挡放电等离子体处理亚甲蓝模拟废水的影响。磁场的方向与电场方向垂直，研究发现垂直磁场可以引起电子的回旋运动和漂移运动，使其电子在气隙空间中的保留时间和运动轨迹延长，电子与空气分子和水分子的碰撞概率增加，可以提升等离子体的均匀性和化学活性，提高亚甲基蓝降解过程中的能量利用效率，更有效地降解亚甲基蓝模拟废水。研究结果表明：在5002 000 Gs垂直磁场条件下，利用介质阻挡放电等离子体降解亚甲基蓝模拟废水，可以使亚甲基蓝的降解率比没有磁场条件下提高10%左右。同等条件下，磁场强度越强，亚甲基蓝的降解率和能量效率越高。关键词：低温等离子体；介质阻挡放电；磁场；亚甲基蓝；废水处理Effect of Vertical Magnetic Field on Degradation of Methylene Blue Wastewater byDBD PlasmaLU Hongwei1，2，JIN Donghan1，ZHA Xuejun1，2（1.College of Science，Donghua University，Shanghai 201620；2.Magnetic Confinement Fusion Research Center，Ministry ofEducation，Donghua University，Shanghai 201620）Abstract:The effect of a vertical magnetic field on the degradation of methylene blue waste water treated by DBDplasma is studied.The direction of magnetic field is perpendicular to that of electric field.It is found by the study thatvertical magnetic field could induce the cyclotron and drift motions of electrons，make the retention time and motiontrajectory of its electron in airgap space longer.The increase of collision probability of electron with air moleculeand water molecule can enhance uniformity and chemical activity of plasma，improve energy application efficiency ofmethylene blue during the degradation period and effectively degrade methylene blue waste water.The study resultshows that under the vertical magnetic field condition of 5002 000 Gs，the use of dielectric barrier discharge plasma to degrade methylene blue waste water can make the methylene blue degradation rate improve about 10%thanthat without magnetic field condition.Under the same condition，the stronger the magnetic field strength is，the higher the degradation rate and energy efficiency of methylene blue.Key words:low temperature plasma；dielectric barrier discharge（DBD）；magnetic field；methylene blue；wastewater treatment0引言随着工业技术的迅猛发展，大量有毒有害的污染物被排放到水体之中，水资源受到了严重的污染和破坏，保护水资源和环境已经成为人类亟待解决的难题。传统的工业废水治理技术有：物理吸附法、化学生物法等。随着印染、制药、生物等技术的不断发展，以亚甲基蓝为代表的有机染料被大量使用，大量难降解有机物出现在废水中。这些有机染料废水通常很难通过生物、光照、氧化剂等常规工艺降解，因此探索更加有效、成本更低的废水治理技术仍是环保领域特别是废水处理领域的研究第59卷第2期：014001462023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01400146Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.019_收稿日期：20220819；修回日期：20221026基金项目：东华大学中央高校基本科研业务费专项资金(16D110918，17D110910，19D110914，20D110910)；国家自然科学基金(11205029)。Project Supported by Fundamental Research Funds for the Central Universities of China in Donghua University(16D110918，17D110910，19D110914，20D110910)，National Nature Science Foundation of China(11205029).热点之一，低温等离子体技术逐渐受到研究者的关注1-8。低温等离子体降解法是一门涉及等离子体物理、等离子体化学、流体力学、热力学、电工技术和环境保护等知识的交叉性课题；是一种兼具高能电子辐射、臭氧氧化和紫外光解等3种作用于一体的废水处理技术，能将有机物分子破坏9。与传统废水处理方法相比低温等离子体法处理范围广、效率高、不造成二次污染、可以处理传统方法难以处理的有机废水。低温等离子体处理高浓度有机废水的作用机理主要如下10-11：气体放电产生的大量高能电子会与气体分子发生非弹性碰撞，使这些基态分子获得能量后处于激发态，达到活化状态，具有较好的活性。这些活性物质会轰击污染物分子，使分子中的不饱和键断裂，使其分解为小分子物质。同时，等离子体中的高能电子还会轰击水分子，使其离解、激发，生成羟基自由基、臭氧、氧原子等氧化性极强的物质，使污染物降解。等离子体中的高能电子轰击水分子产生 OH 等自由基、O3等强氧化物质，对有机污染物起到了氧化降解的作用。其中臭氧易溶于水，本身就是强氧化剂，能直接氧化某些有机物，也可由其分解产生的OH 来氧化有机物。在放电过程中会产生紫外光，它会使分子达到激发态，当分子从激发态返回基态时会释放能量，并使分子键断裂，从而使有害物质降解。紫外光和臭氧联合使用时，臭氧在紫外光的照射下与H2O反应生成了OH，无论是在氧化能力还是在氧化速度上，都远远超过紫外光分解或臭氧单独使用所达到的效果12。由于等离子体中富含高能电子和各种带电粒子，在没有磁场的情况下，高能电子受到电场力(库仑力)的作用从阴极沿着电场线运动到阳极。在外加磁场的情况下，高能电子不仅受到电场力的作用，而且还要受到洛伦兹力的作用。在洛伦兹力的作用下，高能电子沿着磁力线做螺旋轨迹的运动；高能电子在气体反应腔中运动的轨迹将会变长，在放电区域滞留的时间也将增加；高能电子与空气分子之间碰撞几率将增加，导致空气被电离、激发和离解的几率增加，因此磁场会对等离子体的性质产生影响。在磁场对等离子体影响的研究中，人们通常利用永磁铁或电磁铁在放电空间产生匀强磁场，其中比较常见的条件是磁场方向与电场方向垂直，有研究发现垂直磁场可以有效改善等离子体的均匀性13、增加放电强度14、提高臭氧产生效率15。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，DBD)等离子体是低温等离子体的一种，具有电子密度高、放电均匀稳定等特点16-21，受到广泛关注。本实验通过介质阻挡放电等离子体技术处理亚甲基蓝模拟废水，利用钕磁铁施加垂直于电场方向的磁场，通过检测亚甲基蓝溶液的降解率、COD、pH值、电导率和能量利用效率，考察了垂直磁场对亚甲基蓝降解效果的影响，并分析了原因。1实验部分1.1试剂和仪器仪器：高压电源(大连泰斯曼科技有限公司)、TDS1000CSC示波器(泰克科技公司)、UV2600紫外可见分光光度计(岛津仪器有限公司)、P6015A高压探头(泰克科技公司)、P6021A电流探头(泰克科技公司)、OTS950X2全无油润滑压缩机(台州市奥突斯工贸有限公司)、质量流量控制器(北京七星华创有限公司)、MQKFA2204B电子天平(上海米青科实业有限公司)、COD571型COD测试仪(上海米青科实业有限公司)、DDSJ308F型电导率仪(上海米青科实业有限公司)、PHSJ3F型pH计(上海米青科实业有限公司)。试剂：亚甲基蓝、硫酸、氢氧化钠、重铬酸钾、硫酸银、邻苯二甲酸氢钾，以上试剂纯度皆为分析纯。1.2实验装置和放电波形实验装置见图1，包括高压电源和反应器，电源为高压交流电源，频率为1920 kHz连续可调，输出峰峰值电压040 kV连续可调。放电反应器为板式长方形反应器，材质为石英玻璃，长10 cm、宽8 cm，上下石英玻璃板厚度约2 mm。结合电源的电压大小，放电时反映器中的水样体积设定为 20 mL，此时气隙间距约为 7 mm，放电较为稳定。反应器上下装有长8 cm、宽6 cm的铝板作为电极。图1介质阻挡放电反应装置示意图Fig.1The schematic diagram of the DBD reactor反应器左侧放置一块钕磁铁，用于施加垂直于电场方向的磁场，通过改变磁铁的厚度，可以改变放电空间内的磁场强度。由于磁铁之间比较强的研究与分析卢洪伟，金东翰，查学军.垂直磁场对DBD降解亚甲基蓝模拟废水的影响 1412023年2月第59卷第2期相互作用，为安全和方便起见，只在反应器一侧放置了磁铁。接通电源后，调节电源电压，使极板间产生高压交变电压。此时石英玻璃与液面之间便产生均匀散漫的丝状流光放电，产生介质阻挡放电，并释放高能电子，高能电子通过与气体分子、水分子频繁碰撞产生大量的激发态分子、次级电子等强氧化物质和自由基，促使亚甲基蓝降解。通过正交实验和对实验条件的摸索，确定放电电压的峰峰值32 kV、充气速率0.2 L/min、电源频率19 kHz作为本实验的初始条件。放电电压与电流波形见图2。图2电压与电流波形图Fig.2Waveform of discharge voltage and current1.3降解率的测定降解率反映了废水中被降解的污染物占总量的比重，通过测量反应前后亚甲基蓝溶液的质量分数可计算得到。本实验通过紫外可见分光光度计测量亚甲基蓝溶液的质量分数，预先配制不同质量分数的亚甲基蓝溶液，利用紫外可见分光光度计扫描亚甲基蓝溶液的光谱，并确定亚甲基蓝的最大吸收波长，分别测量不同质量分数亚甲基蓝溶液的最大吸收值，根据质量分数和最大吸收值的线性关系，绘制出亚甲基蓝溶液的标准曲线。这样，只需测量反应后亚甲基蓝溶液的最大吸收值，就可以通过标准曲线计算其质量分数，并计算亚甲基蓝的降解率=c0-ctc0100%(1)式(1)中，c0和ct分别是放电处理前和处理时间t后亚甲基蓝的质量分数。1.4化学需氧量(COD)的测定化学需氧量(COD)是指利用强氧化剂处理