低温等离子体净化苯甲酸废水研究

荣俊锋，李泰广，史同上，谈德伟，何媛，陈金钵，张创

(安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南 232001)

含苯甲酸废水直接排出会对环境产生很大威胁[1]。苯甲酸降解主要采用吸附法和生物法，吸附法处理能力不大[2]；生物法菌种获取困难，培养周期长[3]。因此，该类废水处理难度较大。

低温等离子体技术兼具高能电子辐射、O3氧化和紫外光解3种效能，通过放电产生活性粒子，攻击有机物发生系列反应，使其变为小分子，进而降解为CO2和H2O，在水处理领域应用广泛。介质阻挡放电、电晕放电、辉光放电等都能产生低温等离子体，其中介质阻挡放电稳定、电子密度高、能量强是近年来废水治理领域的研究热点[4-8]。

本文采用介质阻挡放电产生低温等离子体的方法净化苯甲酸废水。

1 实验部分

1.1 药品与仪器

苯甲酸、氢氧化钠、盐酸、重铬酸钾、硫酸亚铁铵、硫酸银均为分析纯。

等离子体水处理反应器，自制(反应器壳体为圆筒形有机玻璃，内径90 mm，壁厚6 mm，高200 mm。反应器顶部开三个孔，中心孔孔径3 mm，插入正极铜针电极，铜针长250 mm，直径3 mm，一端磨尖用于放电；左孔为压缩空气曝入孔，孔径5 mm，曝入的压缩空气既能为反应体系提供溶解氧，又能起到搅拌效果；右孔孔径15 mm，接回流冷凝器回收蒸发的水分。底部铝板网(直径80 mm，厚1.2 mm)固定于反应器外侧，作为负极)；TDGC2接触调压器；DD862集成式(功率、电压、电流)数显仪表；P096652C等离子体电源；DF-II数显集热式磁力搅拌器；P6015A高压探头；TDSl0128B数字式示波器；PTF-A电子天平；DZ-3030B空气压缩机；HCA-100标准COD消解器。

1.2 实验方法

按图1连接各实验装置部件[9-10]，取200 mL浓度1.5 g/L模拟苯甲酸废水置于反应器内，接通等离子体电源，打开回流装置，调节接触调压器，进行放电实验，在正、负极之间，绝缘有机玻璃和苯甲酸废水充当放电介质，形成介质阻挡放电，产生具有高能活性的低温等离子体降解废水中的苯甲酸。对放电电压、放电时间、苯甲酸废水浓度、pH值等参数进行调整。在不同反应条件下取样，采用重铬酸钾法(HJ 828—2017)测定溶液COD值，计算COD降解率。

其中，COD0为苯甲酸废水初始COD值，COD为净化后苯甲酸废水COD值。

图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

1.交流电源；2.调压器；3.集成数显仪表；4.等离子体电源；5.压缩空气曝入口；6.回流冷凝器；7.针板式DBD反应器；8.磁力搅拌器；9.高压探头；10.数字示波器

2 结果与讨论

2.1 苯甲酸溶液浓度对COD降解率的影响

调整放电电压400 kV、放电间距5 mm，分别对浓度为0.1，0.5，1.0，1.5，2.0 g/L苯甲酸溶液200 mL 放电处理2.0 h。计算COD降解率，结果见表1。

表1 苯甲酸浓度对COD降解率影响

由表1可知，模拟苯甲酸溶液浓度选择1.5 g/L时，COD降解率最高。

2.2 放电时间对苯甲酸溶液COD降解率的影响

调整放电电压400 kV、放电间距5 mm，浓度1.5 g/L 苯甲酸溶液200 mL，放电时间对COD降解率的影响见图2。

图2 放电时间对苯甲酸溶液COD降解率的影响Fig.2 Effect of discharge time on the degradation rate of COD in benzoic acid solution

由图2可知，随着放电时间延长，COD降解率呈现上升趋势，>2.0 h时，上升幅度减小。可知放电时间2 h，苯甲酸废水处理效果较好。

2.3 放电电压对苯甲酸溶液COD降解率的影响

调整放电间距5 mm，对浓度为1.5 g/L苯甲酸溶液200 mL在电压400，450，500 kV条件下放电2.0 h，放电电压对苯甲酸溶液COD 降解率影响见表2。

表2 放电电压对苯甲酸溶液COD降解率的影响

由表2可知，放电电压在400 kV时不易被氧化和发生电压击穿[11-12]，处理效果相对较好。在放电过程中，电功率主要有以下几个方面的消耗：产生等离子体、电路设备的功率消耗以及水样水温和放电反应器温度的上升[13-15]。所以电压的升高会提升单位空间等离子体的密度和活性，提高COD降解率，同时电路设备和反应器的消耗也会相应增加。综合考虑，电压400 kV时处理效果较好。

2.4 pH对苯甲酸溶液COD降解率的影响

放电电压400 kV、放电间距5 mm条件下，浓度1.5 g/L苯甲酸溶液取200 mL，调节pH，然后放电 2.0 h。分析苯甲酸溶液COD值，并计算COD降解率，结果见图3。

由图3可知，pH为1时处理效果最差，这是因为酸性条件下苯甲酸不易被降解；pH为7时，COD降解率最高；在pH为8时，弱碱环境下苯甲酸性质较为稳定，不易被降解；在弱酸性环境下，苯甲酸性质相对不稳定，降解效果较好。

图3 pH对苯甲酸溶液COD降解率的影响Fig.3 Effect of pH on the degradation rate of COD in benzoic acid solution

2.5 正交实验

在单因素实验基础上，以苯甲酸溶液浓度、通电电压、放电反应时间、苯甲酸溶液pH值为因素，各取3个水平，COD降解率为指标，进行正交实验。因素与水平见表3，结果见表4。

表3 正交实验因素水平

表4 L9(34)正交实验结果

由表4可知，影响苯甲酸溶液COD降解率因素主次顺序为：苯甲酸溶液pH值>苯甲酸溶液浓度>放电时间>放电电压。优方案为A3B3C1D2，即苯甲酸溶液浓度1.5 g/L，溶液pH值6，放电电压410 kV，放电时间2.0 h。做验证实验，COD的降解率达到65.59%，所以处理苯甲酸废水的最优条件为：苯甲酸溶液浓度1.5 g/L，溶液pH值6，放电电压410 kV，放电时间2.0 h。如将该方法和传统Fenton氧化法以及絮凝剂相结合可能达到更好的净化效果。

3 结论

低温等离子体处理苯甲酸废水的最佳条件为：放电电压410 kV，放电时间2.0 h，苯甲酸溶液浓度1.5 g/L，溶液pH值为6。在此条件下，COD的降解率达到65.59%。