氣液混合放電特性的研究及滅藻的應(yīng)用.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、船舶壓載水引起的外來物種的入侵是全世界面臨的最嚴(yán)峻的問題之一,它對生態(tài)和經(jīng)濟(jì)都造成了很大的危害。為了解決這個問題,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)成為一個非常熱門的研究領(lǐng)域,此方法的優(yōu)點在于成本較低,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藻類的殺滅效果。
   本實驗利用多針對板反應(yīng)器氣液混合放電對四種藻(金藻,新月菱形藻,扁藻,小球藻)的殺滅機(jī)制進(jìn)行了研究。實驗分四個方面的內(nèi)容:(1)多針對板反應(yīng)器氣液混合放電特性的研究;(2)通過發(fā)射光譜對放電產(chǎn)生的自由基特性進(jìn)行了研究;(3)過氧化氫和臭氧的形成機(jī)制的研究;(4)放電參數(shù)對藻類滅活效果的影響。
   首先,通過改變放電參數(shù)對反應(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,實驗過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。因為脈沖峰值電壓和頻率越高,針尖與水面的距離越小,電場強(qiáng)度就會增大,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)器具備如下幾個特點:(1)電暈放電和火花放電可相互轉(zhuǎn)換

4、,在特定條件下同時發(fā)生,(2)無論電導(dǎo)率低還是高,這種反應(yīng)器都能放電。
   第二,為了研究放電過程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)種類和它們的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,通過光電多通道光譜分析儀對其發(fā)射光譜進(jìn)行了測定,檢測脈沖峰值電壓的變化對自由基形成的影響,不同氣體對自由基產(chǎn)生的影響也進(jìn)行了研究和比較。發(fā)射光譜測定結(jié)果顯示,氣相為氧氣時·OH,Hα和氧自由基發(fā)射強(qiáng)度比氣相為其它氣體時高。這是因為氣相中注入氧氣時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,過氧化氫和臭氧是脈沖放電產(chǎn)生的主要的長壽命活性物質(zhì),因此對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定,氣相中的臭氧濃度用臭氧氣體分析儀測定。比色法測過氧化氫的濃度。反應(yīng)器氣相分別使用氧氣、空氣、氬氣、氮氣4種氣體。測定改變脈

6、沖峰值電壓、處理時間、溶液電導(dǎo)率和溶液pH,對過氧化氫和臭氧形成的影響。當(dāng)脈沖峰值電壓、脈沖頻率和處理時間增加,過氧化氫和臭氧的濃度隨之增加。脈沖頻率增加,單位時間內(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)。放電處理時間增加,長時間內(nèi)持續(xù)的產(chǎn)生更多的過氧化氫和臭氧導(dǎo)致過氧化氫和臭氧的濃度增加。pH高的溶液過氧化氫和臭氧的濃度比pH低的溶液濃度高。這是因為pH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)致形成的過氧化氫大量減少。對于臭氧形成,當(dāng)pH增加的時候,臭氧形成率急劇增加。這或許是因為當(dāng)pH增加的時候,OH自由基形成顯著增加。過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>氮氣。氣相為氧氣時過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,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氧化氫。
   第四,研究了多針對板氣液混合放電反應(yīng)器的放電參數(shù)對藻類的滅活效果。當(dāng)脈沖峰值電壓、脈沖頻率和放電處理時間增加,藻的存活率降低,殺滅率可達(dá)到100%。實驗結(jié)果表明,脈沖峰值電壓28kV,脈沖頻率30Hz,放電處理時間7 min時,金藻的殺滅率可達(dá)到100%;脈沖峰值電壓28kV,脈沖頻率30Hz,放電處理時間9 min時,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、放電處理時間10 min時,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,放電處理時間15 min時,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的細(xì)胞種類和細(xì)胞體積。當(dāng)通入氧氣、空氣、氬氣和氮氣,峰值電壓28kV,脈沖頻率30Hz,放電處理時間10min時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>氮氣??諝庾鳛闅庀鄷r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放電的殺滅率。氬氣的電離能低于氮氣,可以產(chǎn)生更多的高能電子,所以氬氣作為氣相時比氮氣殺滅率高。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,對藻類滅活的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。在實驗結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,探討了不同脈沖放電下

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