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等离子体的水净化：哪个反应器最节能？
Muhammad Arif Malik
摘要：有毒有机化合物的分解是一个主要的环境问题。越来越多的研究开始使用等离子体来分解这些废水，因为它简单、有效而且不需要添加其他化学物质。不同的小组使用了不同的反应器进行设计。这项研究计算并比较了27种主要类型的等离子反应器的相对能量的产量。结果显示能源产量的巨大差异，最高可达5个数量级。最高效的是脉冲动力反应器，其中的等离子体是在气相中形成的，而废液则被喷入其中，也讨论了提高能源产量的因素并对其作出解释。这项研究将有助于缩小有效的反应器，以便进一步研究、开发和商业用途。
关键词：水处理 非热等离子体 能源产量 染料 挥发性有机化合物
引言
等离子体的潜在应用之一是以牺牲电能为代价的水处理技术。该技术自1987年开始开发，对环境友好、简单、有效，可用于在原水或废水中分解有毒有机化合物。目前研究和开发的重点是提高能源产量，即每千瓦时分解污染物克数。
等离子反应器的能量产量在很大范围内变化。文章报道了一些基于相同类型放电的两个或三个等离子体反应器的比较研究，但直至目前尚未报道基于不同类型等离子体主要类型的等离子体反应器的能量产量比较。这种比较研究的不可行性的原因可能是每个研究小组只能获得有限类型的等离子体反应器，基于从已发表文献收集的数据的比较研究是一项具有挑战性的工作，因为能量收益不仅取决于等离子体反应器的类型，还取决于各种其他因素，如化学结构、浓度、转化程度和副产物化合物的pH、添加的催化剂和添加剂、气相的性质和产生等离子体的环境压力等。
这项研究计算和比较了常见规模的能源产量，并显示了约27种主要类型的等离子反应器在水净化能源产量方面的位置。在过去的二十年里，不同的研究小组所报告的可比较条件的数据是从已发表的文献中收集的。从收集的数据计算能量收益并相互比较， 该比较揭示了不同类型的等离子体反应器的效率差异，最高达五个数量级。 这些结论指向了该领域未来研究和发展的方向。
实验
比较实验条件的选择
需要考虑的主要因素之一是不同等离子体反应器中的中间体对能量产量的影响。等离子体化学反应将污染物转化为其中间体。例如，苯酚转化为氢醌，邻苯二酚和1,4-苯醌。这些中间产物与它们的母分子竞争可获得的活性物质。在不同类型的等离子体中，它们的中间产物或它们的比例可能会不同，它们会影响能量的产生。通常选择染料褪色以显示新开发或改性的等离子体反应器的水净化能力，因此容易受到活性物质的攻击，并且其中间体的竞争可以忽略不计。例如，在同样的实验中，靛蓝胭脂红染料的颜色在1分钟内消失，但其中间体中的不饱和键在60分钟内消失。除染料以外的其他污染物的反应活性通常与它们的母分子的反应能力相比较。例如，苯酚在处理13分钟后消失，其中间物在22分钟后在相同实验中消失。由于各种等离子体反应器的数据可用性以及由于中间体干扰较少，所以在该比较研究中选择染料褪色的能量收益。
能量产量取决于染料的性质和浓度。因此，使用浓度差异小于30％的相同染料的数据来比较不同反应器的效率。对于所有主要类型的等离子体反应器而言，单一染料的数据是不可用的。幸运的是，在相同的实验条件下，对于同一反应器的不同染料的数据是可用的，其用于将不同反应器的能量产量相关联。
选择50％转换的条件有两个原因：（a）此转换可用的最大数据，以及（b）分析错误或来自中间体的干扰在大于50％转换时可能不可忽略。选择初始溶液pH 5-8是因为在强酸性或强碱性条件下，能量产量对pH变化高度敏感。 选择不含添加剂或催化剂的条件是因为诸如过氧化氢，臭氧，硫酸亚铁，陶瓷珠，氧化钛等添加剂或催化剂影响能量产量。选择大气压力是因为大多数研究已经在此条件下被报道，并且似乎最适合未来的商业应用。
能量产量计算（G50）
对这一课题进行了全面的文献调查。所选的报告中包含了足够的能量计算的数据，并且按照G50的产量值计算出的收益值表示污染物的数量除以污染物的50%转换所需要的能量输入值:G50=1.8x106C0V0M/Pt50，其中C0是污染物在t = 0时的摩尔浓度，V0是以升计的处理溶液的体积，M是污染物的分子量，P是反应器的功率，以瓦特为单位，t50是50％转化所需的时间（秒）。 G50以克/千瓦时（g / kWh）表示。
在未得知P的情况下，如果可用，则从相关变量的值计算P的值。 例如公式:P=IU，如果为平均电流的值“I”为安培电流，“U”为电压，是可用的。在脉冲电晕放电的情况下，使用公式：P = Epf，条件是给出每个脉冲的能量值#39;Ep#39;和脉冲频率#39;f#39;。如果#39;Ep#39;的值不可直接使用，则使用以下公式计算：Ep = CU2 / 2，其中#39;C#39;是脉冲形成电容器的电容，#39;U#39;是其充电电压。如果不能直接使用，则使用Acrobat软件中的距离测量工具，通过转换与时间曲线计算出t50的值。如果转换与时间曲线不可用，则它们根据从不同处理时间间隔的UV-可见光谱获得的数据绘制。
相对能源效率计算（REE）
本研究中用于绘制相对能效图的选定结果总结在表1中。相对能效如图1所示。它涵盖了27种不同版本的等离子反应器。 由于不具备可比较的数据，因此本分析中不包括一些例外，如微空心阴极放电，水中的双极性脉冲放电和电液放电。 由于它们相对较新，它们的能源效率预计会随着未来的发展而提高。 例如，最近的一项研究表明，与单个放电相比，在一个微孔阴极放电反应器中，9个平行放电的能量效率大约是前者的40倍。
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表1 计算为水净化而开发的等离子体反应器的能源收益和相对能源效率 |
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序号 |
染料名称 |
C0（毫克/升） |
等离子体反应器类型和环境气相组成 |
G50（克/千瓦时） |
REE |
RT |
|
1 |
曙红 |
12 |
GDE在水中 |
0.029 |
0.07 |
35 |
|
2 |
亚甲蓝 |
12 |
DD在水中 |
0.042 |
0.7 |
31 |
|
3 |
芝加哥天空蓝 |
10 |
PCD在水中 |
0.081 |
1 |
a |
|
4 |
靛蓝胭脂红 |
20 |
PCD在空气中 |
0.149 |
1 |
32 |
|
5 |
甲基橙 |
13 |
CGDE在水中 |
0.024 |
1 |
28 |
|
6 |
活性蓝137 |
20 |
AC-GlidArc在空气中 |
0.038 |
1 |
33 |
|
7 |
靛蓝胭脂红 |
20 |
PCD在冒泡的水中 |
0.486 |
2 |
32 |
|
8 |
亚甲蓝 |
5 |
RFD在水中 |
0.037 |
2 |
31b |
|
9 |
活性蓝137 |
20 |
HS-PCD在水和空气中 |
0.091 |
3 |
33 |
|
10 |
亚甲蓝 |
10 |
MWD在冒泡的水中 |
0.155 |
3 |
2 |
|
11 |
芝加哥天空蓝 |
10 |
脉冲SSD在水中 |
0.328 |
4 |
3 |
|
12 |
活性蓝137 lt;全文共6022字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[13676]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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