新型多孔陶瓷电极水下大面积均匀放电等离子体放电特性研究及其在印染废水处理中的应用

Plasma technology has been attracting much attention from researchers for its advantage of high efficiency and no secondary pollution. The study has focused on the development of novel plasma discharge system with high efficiency. A novel bubble discharge system with porous ceramic electrode, which achieved large-scale plasma discharge underwater had been developed in our previous study, this system had high efficient on dye wastewater degradation, but this system had the problems of electrode pollution and discharge efficiency had space for improvement. As an intensive study of previous research work，in this study, the properties of this novel plasma system will be improved with superhydrophobic treatment, the optimization of the electrode structures and discharge parameters, and the analyzation of the discharge characteristics and the formation and variation rule of reactive species. Azo dye as the target pollutants, the mass transfer process of plasma, the interactions between plasma and dye pollutions, will be studied with plasma diagnosis，the analysis of degradation intermediates and products. This study aims to find the theory basis for the dye degradation. It will benefit the application of plasma technology in dye wastewater treatment

等离子体技术具有高效、无二次污染等传统方法不可替代的优势，在水处理领域逐步受到研究者重视。研究热点是高效等离子放电设备的设计以及放电特性的研究。申请人前期工作系统研究了一种新型多孔陶瓷电极等离子体放电系统，该系统实现了低电压驱动的水下大面积均匀放电，且其对难生物降解的染料具有较好的降解效果，但是该系统还存在电极污染、放电效率有待进一步提升等问题。本项目是前期工作的深入研究，通过对多孔陶瓷电极做疏水处理、优化电极结构和放电参数等方式，以及对等离子放电特性、活性粒子生成规律等的系统研究，进一步提高该新型等离子体放电系统的性能。并以偶氮染料为目标污染物，结合等离子诊断、降解产物分析等方式，分析等离子在液相中的传质过程及与污染物分子的相互作用，为等离子体技术在印染废水处理中的应用提供理论依据及新的解决方案。

作为一种新型的水处理技术，等离子体技术具有高效、无二次污染等传统方法不可替代的优势，在水处理领域，尤其是难降解废水处理领域具有非常好的应用前景。但是用于水处理的等离子体技术的发展仍不够成熟，目前仍缺乏能大面积推广应用的放电设备及技术体系。本项目通过设计一种新型的孔陶瓷电极水下气泡放电等离子体系统，实现了低电压驱动的水下大面积均匀放电。通过改变电极结构和电极材料以及放电条件来放电系统的性能，研究结果表明，电极冲孔板的空隙直径对放电性能有较大影响，孔径3mm时，电极的能量效率和染料脱色性能最佳，电极的孔隙率对电极的影响相对较小，但是孔隙率的增加明显的降低了放电效率；采用石墨材料替代多孔陶瓷的研究结果表明，电极虽然可以实现纯氮气放电，但是活性物质生成及对染料的脱色效率大幅降低。电压-电流波形、ICCD相机等手段的诊断结果表明一个放电周期内，340ns后开始的类辉光放电是本放电系统的主要放电模式，前期的DBD更多起到放电激发作用，光谱分析结果表明羟基自由基未能诊断到的原因可能是水分子直接分解成了氢和氧原子以及羟基的快速自猝灭；通过对等离子体放电过程产生的活性物质的诊断及讲解规律的研究表明，放电结束后仍有双氧水等长效离子持续对水中污染物起作用，氮气的加入不利于放电效率提升及有机染料降解，而20%左右氧气的加入则可获得较好的降解效率和能量效率，但是H2O2的生产量则随着氧气的加入而降低，另外反应产生的臭氧浓度因部分逸散进入空气而未被充分利用，需要在下一步的电极改性中解决该问题。本项目可以为等离子体技术在水处理领域的进一步应用提供了理论依据。. 截止项目验收前，在本基金的支持下，研究团队在国内外期刊发布SCI论文3篇，另有两篇论文整在整理投稿中。本项目共指导了两名研究生，预计在2021年和2022年毕业。