微通道介质阻挡放电的特性及对水中四溴双酚S的降解作用

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四溴双酚S是一种新型的溴化阻燃剂,被广泛应用在一些工业产品中,然而其能在环境中持久存在,是一种有毒的难降解有机污染物,对人体健康有很大风险。面对这类可生化性差的有机污染物,作为高级氧化技术之一的低温等离子体技术在水处理领域有着广泛的研究和应用,新型介质阻挡放电(DBD)水处理反应器及配套水处理系统的开发也一直是研究热点。本文提出了一种狭缝微通道DBD鼓泡等离子体水处理系统,以同步提高放电强度和鼓泡传质过程。微通道作为反应器的核心,在过程强化中起着至关重要的作用。一方面,由于微通道内壁上电荷累积形成的横向电场所引发了通道内空间电荷密度的增大,从而可以降低初始放电电压,提高放电强度,进而提高活性粒子的生成效率。另一方面,微通道放电对气流产生了促进作用,可以降低空气阻力,增强鼓泡过程,从而提高活性物质的利用效率。为验证这一理论,进行了以下几个方面的研究:
  首先,建立设计了微通道DBD鼓泡反应器及其配套水处理系统。以颜色鲜明的亚甲基蓝(MB)作为指示物对反应器进行了初步降解性能评价,验证了反应器对污染物的降解效果,并依据实验结果对反应器和系统进行改进,同时确定有效的操作条件参数范围。
  其次,微通道结构对放电和鼓泡过程都具有促进作用。微通道中的放电总是先于DBD空间,且微通道中的放电强度大于DBD空间中的放电强度。随着空气流量的增加,微通道内的放电强度减弱,而DBD空间中放电强度略有增加,总放电功率(强度)降低。结果表明,微通道结构能促进放电,进而增强活性物质的产生效率。放电改善了鼓泡过程并在微通道中诱导空气流动。通过对微通道两端的压差测量,发现在放电过程中压差减小,且减小值与施加电压和放电频率呈正相关,与空气流量呈负相关,并几乎不受水流量和溶液电导率的影响。通过对微通道放电时的空气流量测量,发现有诱导气流产生,且均匀流光放电比类火花放电诱导气体的能力更强。结果表明,微通道放电能促进活性物质的传递。
  最后,反应器对水中TBBPS具有良好的降解效果。在施加电压为18.4kV、空气流量为0.5L/min的条件下,处理500mL、2mmol/L的TBBPS30min,降解率达到了98%。研究了不同水质条件和操作条件对TBBPS降解的影响,结果表明,施加电压、空气流量和水流量是影响降解效率的关键操作参数,而特别是适当的施加电压可以最有效地产生活性物质,从而具有最佳的降解性能,同时还需要注意避免溶液处于高盐度条件。此外,对比复合微通道反应器的降解能力发现,在提高降解效果和能量效率方面,可以通过在介质板上布置多个微通道来实现。
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