近日，機械與電子工程學院王冉冉團隊在《Journal of Water Process Engineering》在線發(fā)表了題為“Impact and mechanism of bubble discharge plasma on ammonia nitrogen in wastewater”的研究論文。
等離子體是不同于固體、液體和氣體的第四種狀態(tài)。它是一種由電子、離子、中性物質(zhì)和自由基組成的導電流體，整體上呈現(xiàn)電中性。根據(jù)電子和離子的溫度，將其分為非熱等離子體和熱等離子體。熱等離子體只有在溫度足夠高的時候才會出現(xiàn)。與熱等離子體相比，非熱等離子體（NTP）具有獨特的非平衡特性，使得在熱力學平衡條件下發(fā)生的反應難以在相對溫和的條件下實現(xiàn)。到目前為止，等離子體技術(shù)在材料加工、能源轉(zhuǎn)化、環(huán)境修復、生物醫(yī)藥、航空航天、農(nóng)業(yè)和食品等領域取得了較好的效果。在早期的研究過程中，等離子體已經(jīng)涉足廢氣和廢水處理領域，如煙氣脫硫脫硝、顆粒物和粉塵凈化處理等。在水污染治理中，水下排放或水面排放對水中污染物產(chǎn)生物理和化學作用。在空氣處理方面，處理后的氣體流經(jīng)排放區(qū)，污染物可直接與活性物質(zhì)發(fā)生碰撞。在土壤污染修復中，產(chǎn)生的活性物質(zhì)從氣相擴散到土壤空隙，作用于土壤污染物。
等離子體處理污水的反應機理是在特定反應環(huán)境中，通過高壓電源向水中或水面注入能量，從而在電極和接地極之間形成放電通道。在此過程中，電流導致系統(tǒng)溫度急劇上升，電子獲得巨大能量并與水分子發(fā)生解離。此外，低溫等離子體主要由高能電子、正負離子、強氧化性自由基、激發(fā)態(tài)分子和原子等組成。在放電處理過程中，通過電化學反應，活性物質(zhì)能誘導污染物中的不飽和鍵斷裂和開環(huán)，逐步將廢水中的大分子物質(zhì)分解為小分子，顯著提升了難降解物質(zhì)的可生化性。同時，等離子體處理污水還可以通過殺滅細菌、病毒等微生物來達到消毒的效果。因此，等離子體處理污水是一種高效、環(huán)保的污水處理方法。基于等離子體技術(shù)的優(yōu)勢，其在水處理方面的應用得到越來越廣泛地研究。本文研究了一種簡單的氣泡放電等離子體處理氨氮廢水的方法，通過模擬廢水樣品，解析了pH、電壓、脈沖頻率和反應時間對廢水處理的影響。用紫外分光光度法測定氨氮、總氮和副產(chǎn)物的濃度，結(jié)果表明，NH3-N更容易被堿性環(huán)境中生成的活性物質(zhì)氧化。
通過水楊酸捕獲生成的?OH，結(jié)果表明，適當提高電壓和放電頻率可以促進?OH的生成，從而有利于氧化反應去除NH3-N。通過自由基猝滅實驗驗證了等離子體的作用，在pH為12、電壓為12 kV、脈沖頻率為160 Hz的條件下，獲得了最佳的反應效率。處理50 min后，NH3-N去除率達99.14%；在氨氮污染日益嚴重的背景下，本研究在污水處理和環(huán)境保護方面具有重要意義。
圖1. 氣液放電裝置反應系統(tǒng)圖
山東農(nóng)業(yè)大學為完成該論文的第一單位，山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院王冉冉為論文的第一作者，山東農(nóng)業(yè)大學化學與材料科學學院苗成霞與侯芹為該論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和的基金資助。
論文鏈接：https://authors.elsevier.com/c/1jUm37taLYXQOw
編 輯：萬 千
審 核：賈 波
