空气微泡放电等离子体射流高效降解高盐废水有机污染物的中试研究

本研究针对高盐废水中有机污染物传统氧化技术处理效率低的难题，创新性采用阵列空气微泡放电等离子体系统（APDP），结合PS/Fe2+催化体系，在300?L高盐废水中实现亚甲基蓝（MB）和甲基红（MR）的完全去除，能量效率达18.36?g?kWh?1。通过系统研究放电模式转变、活性物种（OH、H2O2、•SO4?）生成规律，为工业化应用提供了关键技术支撑。

　　

随着制药、印染等工业发展，高盐废水（TDS>3.5?wt%）的处理成为环境领域重大挑战。这类废水不仅含有高浓度Cl^?、SO₄^2?等无机盐离子，其有机污染物还会与传统氧化技术中的活性自由基发生副反应，导致处理效率低下。更棘手的是，现有等离子体技术（APDP）因气液传质效率限制，难以实现大规模应用。

大连理工大学材料改性激光/离子/电子束教育部重点实验室的研究团队另辟蹊径，开发出阵列空气微泡放电等离子体射流系统。通过调控电压参数（10-20?kV），首次观察到放电模式从丝状放电→流注放电→电弧放电的转变过程，并证实16?kV时臭氧（O₃）产率最高。结合光谱分析发现，升高电压能显著增强OH(A²Σ⁺–X²Π)、N₂(C³Π_u–B³Π_g)等活性物种发射强度，同时提升液相OH和H₂O₂浓度。研究团队进一步引入PS/Fe²⁺催化体系，通过协同生成•OH和•SO₄^?自由基，将能量效率提升至传统技术的3倍。最终构建的3×8阵列反应器成功处理300?L含盐废水，相关成果发表于《Desalination》。

关键技术包括：1）微泡放电等离子体射流系统设计；2）发射光谱（OES）和傅里叶红外光谱（FTIR）联用分析活性物种；3）PS/Fe²⁺催化活化强化自由基生成；4）300?L级中试装置稳定性测试。

【放电图像与电学特性】
通过高速摄像捕捉到电压升高引发的放电模式转变，12?kV时形成丝状放电，16?kV出现流注放电，20?kV发展为电弧放电。电信号分析表明流注放电阶段电荷转移量最大。

【活性物种诊断】
OES检测显示NO(A²Σ⁺–X²Π)谱线强度与电压呈正相关，FTIR证实N₂O和NO₂生成量随电压升高而增加。液相检测发现PS/Fe²⁺使•OH浓度提升2.3倍。

【污染物降解机制】
在3% NaCl溶液中，16?kV电压配合PS/Fe²⁺催化时，MB降解率可达100%。自由基淬灭实验证实•SO₄^?贡献率达58%。

该研究不仅阐明了微泡等离子体在高盐环境下的放电机制，更通过阵列放大技术突破处理规模限制。18.36?g?kWh^?1的能量效率指标，为工业废水处理提供了兼具经济性和普适性的解决方案。特别是对含Cl^?废水的高效处理，有望缓解沿海地区高盐废水回用难题。研究团队特别指出，该技术对含抗生素、染料等复杂废水体系具有潜在适用性，未来可通过优化电极结构进一步提升处理能力。