高压脉冲放电在水处理中的应用及发展

　随着污染日趋严重，水环境质量恶化趋势进一步发展，使得传统水处理方法受到更严峻的挑战。不断增加的工业废水，正成为水质污染的第一杀手。随着水中有机污染物增多，饮用水中一贯采用的氯化消毒法产生的具有“三致”作用的有机卤化物的数量及种类不断增加，开始严重威胁人类的健康。电工技术已渗透到环境保护领域，尤其是高电压脉冲放电水处理由于下述特点正成为国内外的研究热点：
  　　①高电压脉冲技术有利于实现高能化；
  　　②快速的脉冲放电，可对处理的液体介质施加很高的瞬时功率；
  　　③液体介质中脉冲放电伴随的液电效应有光、热、力、声等物理效应及各种化学效应的协同作用。
  
  　　 1高电压水处理应用技术
  
  　　 1.1臭氧技术
  　　高电压水处理中最早、最广泛的应用是制备臭氧。1840年发现臭氧，1845年，纯氧同电火花作用制得臭氧，1857年研制首台臭氧发生器，1886年开始用作杀菌剂试验，1898年，出现新的原型板式臭氧发生器，并用于规模化水处理厂中。目前，臭氧已广泛用于饮水消毒。70年代美国首先采用臭氧进行城市污染处理，作为废水预处理的重要组成部分，也可同时与过氧化氢、紫外光、活性炭和固体催化剂等联用处理，效果更佳［1］。  
  　　臭氧产生的原理是突变电场(工频、高频或脉冲电场)作用下气体分子中原有少量载流子(电子和离子)从外电场中获得能量，使其加速运动与气体分子碰撞、电离，氧分子分解成氧原子并在10 ns内重新结合成臭氧。
  　　臭氧有极强的氧化能力，脱色、脱臭、杀菌、消毒效果显著，高于常用的液氯和次氯酸钠，尤其是没有二次污染问题，但生产效率低，成本较高。臭氧制备的理论效率2 kg/(kWh)，实际用空气制备只有理论的(4～5)%，约为46～58 g/(kWh)，用纯氧可提高到10%。效率低下的主要原因是电极的感应加热损耗，因此电极结构的合理性至关重要。
  　　目前研究重点为电极类型、电源频率、空气干燥度和压力、冷却温度等。高压脉冲可提高臭氧生产效率两倍，高频陶瓷沿面放电技术可解决发生器小型化、实用化问题［2］，低温等离子技术也可大为提高臭氧生成效率及浓度，但目前工业生产成本尚未显著降低，这个领域仍吸引了许多研究者。
  　　1.2高压静电水处理技术
  　　60年代末，美研制成功第一台静电水垢控制器，1975年我国也研制成功并已大量运行。空调、制冷、热交换、冷却循环、锅炉等系统，使用的冷却水极易起垢和滋生菌藻。为消除影响，起初多用机械法和酸碱法。但前者劳动强度大且除垢不彻底、周期长；后者易腐蚀设备，引起公害。后来，大多采取化学药剂置换、软化、絮凝进行给水预处理，但使用不便，也容易污染环境。目前都致力于物理法预处理技术，即将水经过诸如磁尝高频电尝电解、静电等处理后送入用水系统。
  　　一般认为静电场的阻垢去垢杀菌灭藻机理［3］是①电场改变了水分子的物化性质；②电场作用引起电子与水中的矿物质碰撞，使成垢物的结构发生变化；③水中铁离子扮演重要作用；④活性氧自由基的化学作用对水中的细菌具有极强的破坏能力；⑤一定强度的电场也会使水中藻类细胞破坏。
  　　高压静电水处理技术虽已大量应用，但还缺乏较为全面的、系统的相关理论。
  　　1.3电解法处理废水
  　　最早用于废水处理的电解法［4］属于低电压范畴，但其机理对高电压处理废水有参考价值。电解法可分为电解氧化法和电解絮凝法。电解氧化法用惰性电极，电解产生的氯气、ClO-等可氧化有机物或某些有毒物质，近年来开发耐用、长寿、高效的金属阳极，使电耗降低很多，但由于影响因素较多，对实际工业废水的效果还不理想。电解絮凝法用直流电溶解铁阳极，产生的亚铁离子在弱碱性和中性介质中生成氢氧化亚铁和氢氧化铁沉淀，并充当絮凝剂从而去除无机和有机污染物。由于废水的电导率对电解法处理效果影响很大，一般适用于含盐废水。使用脉冲电源可提高电解法的效率。
  
  　　 2高压脉冲放电水处理的研究新进展
  
  　　 2.1脉冲电场杀菌消毒
  　　最早使用射频电场，由于电场

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