等离子体反应器结构与电极参数对灭藻效果的影响
王翠华1，沈新强1，吴　彦2
(1.中国水产科学研究院东海水产研究所农业部海洋与河口渔业重点开放实验室，上海200090;
2.大连理工大学静电与特种电源研究所，大连116024)
摘　要：随着水体富营养化的日益严重，现有的灭藻方法已不能满足目前的水处理要求，为此，研究了放电等离子体反应器中电介质位置与数目(结构参数)、放电电极直径、材料以及数目(电极参数)对灭活铜绿微囊藻的影响。结果表明，在单电极放电系统中，无论双电介质位于高低压电极何处，系统均不能提高铜绿微囊藻灭活率，且双电介质系统放电不稳定；电极直径大小与藻灭活率高低不成正比，而是存在一个合适值；多电极放电系统中，放电处理40min 后放置培养到第5天时，藻的灭活率为9314%，而单电极系统的为87131%；随着放电电极数目的增加，藻的灭活率从3根的88152%提高到6根的93140%，但电极材料的不同对藻灭活程度的影响不明显。关键词：等离子体反应器；铜绿微囊藻；结构参数；电极参数；放电电极；灭活率中图分类号:TM89;X703.1文献标志码:A 文章编号:100326520(2009)0521083205
基金资助项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费
(2008M11)；教育部博士点基金(2005141002)。
Project Supported by Special Research Fund for t he National Non 2profit Institutes (2008M11),Doctoral Programs Foundation of Ministry of Education of China (2005141002).
E ffect of the Structural and Electrode Parameters
on Plasma R eactor of Algal Inactivation
WAN G Cui 2hua 1,SH EN Xin 2qiang 1,WU Yan 2
(1.Key and Open Laboratory of Marine and Est uary Fisheries ,Minist ry of Agricult ure of China ,
East China Sea Fisheries Research Instit ute ,Chinese Academy of Fisheries Sciences ,
Shanghai 200090,China ;
2.Instit ute of Elect ro static and Special Power ,Dalian University of Technology ,Dalian 116024,China )
Abstract :To check the effect of the reactor structural and electrode parameters on the removal efficiency of algae ,the effects of the location of the double dielectric layers ,single or double dielectric l
ayers ,discharge electrode diame 2ter ,electrode material and electrode number on the inactivation of Microcystis aeruginosa (M.aeruginosa )were dis 2cussed in the plasma reactor.Experimental results show ,in single electrode discharge system ,there were unobvious differences in the inactivation efficiency of M.aeruginosa between in single and double dielectric layers system ,but discharge stability in double dielectric layers system was worse than that in single dielectric layer system.There was not the linear relationship between discharge electrode diameter and the inactivation efficiency of M.aeruginosa ,but there has to be a reasonable value for discharge electrode diameter.In multi 2electrodes discharge system ,more than 93.40%of optical density was removed at the end of the fifth day incubation as a function of 40min treatment ,while 87.31%in single electrode system.The inactivation efficiency of M.aeruginosa was increased f rom 88.52%to 93.40%by the increasing number of copper electrode f rom 3to 6.There were unobvious changes in the discharge electrode material to the inactivation efficiency of M.aeruginosa.
K ey w ords :plasma reactor ;M.aeruginosa ;structural parameter ;electrode parameter ;discharge electrode ;the in 2activation efficiency
0　引言
淡水资源缺乏使得我国一些地方以富营养化的湖泊和水库为饮用水水源[1,2]，但水体富营养化导致了藻类的过量繁殖，使常规净水工艺出现了堵塞
滤料、滤孔和管道，妨碍设备正常运行等问题[326]。为防止藻类过量繁殖给水体净化带来的一系列问题，人们常采用化学药剂杀生，但化学药剂会引起水体的二次污染。
近些年发展起来的高压脉冲放电低温等离子体技术，因其能提供大量带电、活性粒子，具有各向异性的能量分布以及较高的能流密度而被广泛应用在环境领域中。现有的研究主要集中在反应器结构(针(多针)—板、线—板、线—筒以及板—板[7210])、放电电源(直流高压、交流、高频和脉冲直流电源)、反应器内物质相态(单相(仅为液体)、两相(气液混
・
3801・  第35卷第5期
2009年  5月
高　电　压　技　术
High Voltage Engineering
Vol.35No.5
May  2009
合体)和三相(气液固混合体)[11,12])、
反应器内填充
物(活性碳、沸石、铁电体以及二氧化钛[13216])，以及处理对象(染料废水、含酚废水以及水体杀菌等[17219])等方面。但如何提高能量利用率、传质效率，并延长电极使用寿命等问题一直是放电等离子体技术处理水的研究热点。
介质阻挡放电因等离子体温度和密度适中是高压脉冲放电等离子体技术产生的主要方式。影响介质阻挡放电的因素主要有电介质、电极和反应器结构。本文采用能产生均匀分布等离子体的线筒式电极作为介质阻挡放电反应器结构形式，分别考察了电介质位置与数目、放电电极直径、材料以及数目对灭活铜绿微囊藻的影响，为该方法的未来工业化应用提供理论依据。
1　实验部分
1.1　实验装置
实验装置的系统简图如图1所示。整个实验装
置系统由控制台、双向高压窄脉冲电源和反应器组成。该电源可输出峰值(U pp )0～100kV 、脉宽500～1000ns 、脉冲上升时间40～100ns 的双向窄高压脉冲，脉冲频率1～200Hz 可调。电压和电流通过HV 2P60型脉冲高压探头、TM6303型电流探头和H P 254820A 数字示波器记录，其放电的暂态和稳态电压和电流波形图见图2。本实验条件为：放电峰值电压为40kV ，频率为50Hz ，气体体积流量0175m 3/h ，每组实验重复3次，误差≤5%。
反应器结构简图如图3所示。反应器的主体结构是直径65mm 、厚2mm 、有效长度230mm 的高度透明玻璃柱体见图3(a )；图3(b )为单电极单电介质放电系统，位于圆筒轴心的高压电极(图中1)外套有绝缘玻璃管(图中2)，其内壁衬有网状的不锈钢作为接地电极(图中3)；图3(c )～3(f )中，单电极双电介质放电系统中双电介质分别置于高、低压电极处或之间，图中4、5和6分别为直径25、35和45mm 而厚仅为1mm 的均匀带孔玻璃介质,7为直径60mm 、厚仅为1mm 的不带孔玻璃介质；图3(g )～3(k )为多电极(3、4、5或6根)单电介质放电系统示
意图，其中电极位于以圆筒轴心为外接圆圆心的正多边形顶点，外覆盖玻璃介质。两电极之间是直径为3～4mm 的玻璃球作为固体填料层。安装在反应器底端相距10mm 处的空气曝气装置为反应器提供微小
气泡以使气液混合。水流通过进水阀进入两电极之间，空气通过曝气装置曝入并分散在水中，形成微小的混合良好的气液混合体。处理后的水样和气体分别从出水口和排气阀排出
。
图1　实验装置的系统简图
Fig.1　Sketch of experiment
system
图2　典型的电压和电流波形图
Fig.2　T ypical w aveforms of applied voltage
and discharge
current
a ：反应器的主体构造简图;
b ～f ：单放电电极双电介质层三相
放电反应器;g ～k ：多放电电极单电介质层三相放电反应器;
其中1：不带孔玻璃介质;2：线电极;3：金属网电极;
4～6：带孔玻璃介质;7：不带孔玻璃介质
图3　等离子体反应器结构图
Fig.3　Diagram of plasm a reactor
1.2　藻种
实验使用的铜绿微囊藻(M.aerugino sa )购自中国科学院武汉水生生物研究所国家淡水藻种库(FACHB )，编号为FAC HB 2924。采用B G11培养液，培养条件为：温度(24±1)°C ，光照度2500lx ，光暗比(光照时间与非光照时间之比)12h :12h [20]。
・4801・May 2009High  Voltage  Engineering Vol.35No.5　
1.3　实验过程
实验前将处于指数期的铜绿微囊藻接种到新鲜的培养基中培养至指数生长期，按藻液与灭菌的质量分数0185%的NaCl溶液为1:1的比例配成一定体积分数的藻液作为处理样。实验取250mL稀释后藻液由进水口进入反应器，放电处理40min取样后，测定其样品的光密度变化，随后把处理样与空白样(用灭菌的质量分数0185%的NaCl溶液按照1:1的比例稀释处于指数期的藻液，未经实验处理，培养条件与处理样一样)一起放入培养箱中继续培养，培养期间的1、3、5天取样测其光密度。每组实验重复3次，藻生长抑制效果误差≤5%。
1.4　藻细胞光密度的测定
光密度是藻细胞生长量的一个重要指标。通过U22800型紫外可见分光光度计对铜绿微囊藻藻样的全波长扫描，测得在680nm处具有最大吸收峰，故实验选在680nm测定其光密度。
1.5　藻灭活效果的计算
铜绿微囊藻灭活率
η=(1-A t
A0
)×100%。
式中,A0表示铜绿微囊藻当天或放置培养1、3、5天后空白样的光密度;A t表示处理40min当天或放置培养1、3、5天后铜绿微囊藻的光密度。
灭活常数是用来侧面表示灭活速率的一个指标，它是由放置培养时间对灭活率曲线图中直线的斜率计算得到的。
2　结果与讨论
2.1　单电极放电系统结构参数对藻灭活的影响reactor4
介质阻挡放电系统中电介质可以是单电介质，也可以是双电介质，为考察电介质数量和位置对铜绿微囊藻灭活的影响，本节讨论了单电极系统中电介质位置以及数量对藻灭活的影响，进而选取对藻灭活效果较好的实验系统。
2.1.1　双电介质系统对藻灭活的影响
图4为单电极双电介质放电系统中电介质位置对铜绿微囊藻灭活效果的影响。图中系统#1、#2、#3、#4分别对应图3(c)、(d)、(e)、(f)中的结构，由图可知，处理当天铜绿微囊藻被灭活的程度不明显，而是在放置培养期间，藻被灭活的程度加重，系统1藻灭活率最高,2、4次之,3最低，放电处理40min后放置培养到第5天时，藻灭活率依次为86199%、84159%、83121%和84101%(如图中柱状图所示)
。
图4　电介质位置对铜绿微囊藻灭活的影响Fig.4　E ffects of location of glass dielectric layers on
the inactivation of M.aeruginosa
表1　单双电介质放电系统对铜绿微囊藻灭活的影响
T ab.1　E ffects of single and double dielectric layers
on the inactivation of M.aeruginosa
放电系统
藻灭活率/%
处理当天第1天第3天第5天
单电介质11.9719.9056.5787.31
双电介质11.4419.0056.6986.99
2.1.2　单双电介质系统对藻灭活的影响
实验选单电极双电介质放电系统中铜绿微囊藻灭活率最高的系统1，与单电极单电介质放电系统进行比较，确定放电系统电介质层数。由表1单双电介质放电系统对铜绿微囊藻灭活影响的数据可知，无论是在处理当天还是在处理后的放置培养期间(处理后第1、3、5天)，单电介质放电系统对藻的灭活率与双电介质的相差不大。但在放电实验中我们发现，放电系统1性能不稳定，电介质层会在放电电压过大时造成破碎，因此，实验选用了单电介质放电系统灭活铜绿微囊藻。
2.1.3　放电电极直径对藻灭活的影响
图5为直径分别为2、3和4mm铜丝作为放电电极的放电系统对藻灭活的影响。藻灭活率和灭活常数并未随放电电极直径的增加而增加，而是放置培养到第5天，直径为3mm铜电极放电系统藻的灭活率(如图5中柱状图所示)和灭活常数均比其它两种直径铜电极要好。这是因为放电电极直径增加，增大了放电的表面积，但也相对提高了放电击穿电压。因此，放电电极直径存在一个适当值。
2.2　多电极放电系统电极参数对藻灭活的影响
多线放电电极相对于单线放电电极而言，由于放电电极的增加，使得同等放电条件下放电产生的电场强度增加，电场在空间上分布也更均匀，活性物
・
5
8
1
・
　2009年5月高　电　压　技　术第35卷第5期
图5　电极直径对铜绿微囊藻灭活的影响
Fig.5　E ffects of the electrode diameter on the
inactivation of M.aeruginosa
质产生的数量更多[21,22]，这些均有利于污染物质的去除。本节将电极间距固定为18mm，讨论脉冲放电系统中电极材料与电极数目对铜绿微囊藻灭活的影响，进而确定藻灭活的多电极放电系统的电极参数。
2.2.1　放电电极材料对藻灭活的影响
由图6的6根不同电极材料组成的放电反应系统对藻灭活的影响可知，电极材料的不同对藻被灭活的程度和灭活常数的影响不明显。在放置培养到第5天时(如图中柱状图所示)，铜丝作高压电极时藻的灭活率93140%只略高于不绣钢螺纹作高压电极的91175%，但相应的前者藻的灭活常数16120却比后者16148低一些。下面的实验我们选用了藻去除效果略好的3mm铜丝作放电电极。
2.2.2　放电电极数目对藻灭活的影响
放电电极数目不同对铜绿微囊藻灭活的影响如图7所示。随着放电电极数目的增加，无论是处理当天还是放置培养期间，藻被灭活的程度与灭活常数均有所提高。处理后放置培养的第5天(如图中柱状图所示),6根铜电极系统藻的灭活率为93140%,3根的为88152%；同样地，前者的灭活常数16120也高于后者的15162。这说明随着放电电极数目增加，多线电极越趋向于管电极，增大了电极的放电表面积，提高了藻的灭活效果，又避免了由于管电极的存在而造成的处理体积减少。因此，用多线电极来代替管电极是一个很好的选择，但由于实验固定电极间距在18mm，使得放电电极数目不能无限增加。当放电电极为6根时，位于以圆筒轴心为外接圆圆心、外接圆半径为9mm的正六边形顶点上的3mm铜电极间的距离为3mm。如果放电电极数目继续增加，会使得电极间的距离减小而发生表面放电。因此，本实验认为6根3mm铜电极作为放电电极时，铜绿微囊藻灭活效果最好
。
图6　电极材料对铜绿微囊藻灭活的影响
Fig.6　E ffects of the electrode material on the
inactivation of M.
aeruginosa
图7　电极数目对铜绿微囊藻灭活的影响
Fig.7　E ffects of the electrode number on the
inactivation of M.aeruginosa
3　结论
a)对比单电介质和双电介质系统对铜绿微囊藻灭活的影响发现，无论双电介质位于高低压电极何处，均不能提高藻的灭活率，且双电介质系统的放电稳定性明显不如单电介质系统。
b)单电极放电系统中，并非电极直径越大，藻的灭活效果越好，而是存在一个适当值。
c)在系统保持处理量不变的情况下，引入多电极放电系统，其对铜绿微囊藻灭活率和灭活常数均好于单电极系统。
d)多电极放电系统中，电极材料的不同对铜绿微囊藻被灭活的程度和灭活常数的影响不明显。
e)多电极放电系统中藻的灭活率高于单电极系统的，随着放电电极数目的增加，铜绿微囊藻灭活率和灭
活常数均有所提高。
参考文献
[1]丁忠土，陈　航.绍兴市饮用水水库水源营养化状况调查[J].中
・
6
8
1
・May2009High　Voltage　Engineering Vol.35No.5　
国公共卫生,2006,22(9):1144.
[2]杨文进.富营养化湖泊水的饮用水处理[J].长江建设,1999,24
(2):38.
[3]Hargensheimer E E,Wat son S B.Drinking water t reat ment op2
tions for taste and odor control[J].Water Research,1996,30
(11):142321430.
[4]Graham N J D,Wardlaw V E,Perry R,et al.The significance
of algae as trihalomet hane precursors[J].Water Science Tech2 nology,1998,37(2):83289.
[5]Hoehn R C,Barnes D B,Thompson B C.Algae as sources of
t rihalomet hane precursors[J].Journal of t he American Water Works Association,1980,72(6):3442350.
[6]Clement s S J,Sato M,Davis R H.Preliminary investigation of
prebreakdown phenomena and chemical reactions using a pulsed high voltage discharge in water[J].IEEE Transactions on In2 dustry Applications,1987,23(2):2242235.
[7]Sunka P,Babicky V,Clupek M,et al.Generation of chemically
active species by electrical discharges in water[J].Plasma Sources Science and Technology,1999,8(2):2582265.
[8]Sun B,Sato M.Use of pulsed high2voltage discharge for removal
of organic compounds in aqueous solution[J].Journal of Phys2 ics D:Applied Physics,1999,32(15):190821915.
[9]Sunka P.Electrical discharges in water and t heir application
[J].Physics of Plasma,2001,8(5):258722594.
[10]Chalmers I D,Zanella L,Macgregor S J,et al.Ozone genera2
tion by pulsed corona discharge in a wire cylinder arrangement [J].IEE Colloquium on Elect ro2Technology for Waste Pro2 cessing and Purification,1994(23):6/126/4.
[11]唐军旺，杨黄河，任丽丽，等.微波放电脱除NO[J].高等学校
化学学报,2002,23(4):6322635.
TAN G J un2wang,YAN G Huang2he,REN Li2li,et al.The decomposition of NO in microwave discharge[J].Chemical Journal of Chinese Universities,2002,23(4):6322635. [12]ZHAN G R B,WU Y,L I G F.Enhancement of t he plasma
chemistry process in a t hree phase discharge reactor[J].Plas2 ma Sources Science and Technology,2005,14(2):3082313. [13]Oda T,Takahash T,K ohzuma S.Decomposition of dilute tri2
chloroet hylene by using nont hermal plasma processing2frequen2 cy and catalyst effect s[J].IEEE Transactions on Industry Ap2 plications,2001,37(4):9652970.
[14]Ao C H,Lee S C.Enhancement effect of TiO2immobilized on
activated carbon filter for t he photodegradation of pollutant s at typical indoor air level[J].Applied Catalysis B:Environmen2 tal,2003,44(3):1912205.[15]Eliassion B,Liu C J,K ogelzchatz U.Direct conversion of
met hane and carbon dioxide to higher hydrocarbons by using catalytic dielectric2barrier discharges wit h zeolites[J].Indus2 trial and Engineering Chemist ry Research,2000,39(5): 122121227.
[16]Mizuno A,Yamazaki Y,Ito H,et al.AC energized ferroelec2
tric pellet bed gas cleaner[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1992,28(3):5352540.
[17]Malik M A,Ubaid2ur2Rehman,Ghaffar A,et al.Synergistic
effect of pulsed corona discharges and ozonation on decolouri2 zation of met hylene blue in water[J].Plasma Sources Science and Technology,2002,11(3):2362240.
[18]Willberg D M,Lang P S,Hochemer R H,et al.Degradation
of42chlorophenol,3,42dichloroaniline,and2,4,62trinitrotolu2 ene in an electrohydraulic discharge reactor[J].Environmental Science and Technology,1996,30(8):252622534.
[19]Malik M M,Ghaffar A,Malik S A.Water purification by elec2
trical discharges[J].Plasma Sources Science and Technology, 2001,10(1):82291.
[20]Allen M M,Stanier R Y.Growt h and division of some unicel2
lular blue2green algae[J].Journal of general microbiology, 1968,51(2):1992202.
[21]吴　彦，王　玉，李国锋，等.三相介质阻挡放电产生过氧化氢
的条件优化[J].高电压技术,2008,34(4):7002704.
WU Yan,WAN G Yu,L I Guo2feng,et al.Optimized condi2 tions for formation of hydrogen peroxide by t hree2phase dielec2 t ric barrier discharge[J].High Voltage Engineering,2008,34
(4):7002704.
[22]Wang C H,Li G F,Wu Y,et al.Growt h inhibition of Micro2
cystis aeruginosa by a multi2wire2to2cylindrical high2voltage di2 electric barrier discharge system in packed2bed plasma reactor
[C]∥Taiwan2APSP T2007Conference.Taiwan,China:[s.
n.],2007:2272
230.
WAN G Cui2hua
Ph.D.
王翠华
1979—，女，博士
从事脉冲放电水处理的研究
E2mail:wchweiweizi@163 收稿日期　2008211227　修回日期　2009201205　编辑　曹昭君
・
7
8
1
・
　2009年5月高　电　压　技　术第35卷第5期

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。