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。它是一種由電子、離子、中性物質和自由基組成的導電流體，整體上呈現電中性。根據電子和離子的溫度，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。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生的反應難以在相對溫和的條件下實現。到目前為止，等離子體技術在材料加工、能源轉化、環境修復、生物醫藥、航空航天、農業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生物理和化學作用。在空氣處理方面，處理后的氣體流經排放區，污染物可直接與活性物質發生碰撞。在土壤污染修復中，產生的活性物質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，電流導致系統溫度急劇上升，電子獲得巨大能量并與水分子發生解離。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、激發態分子和原子等組成。在放電處理過程中，通過電化學反應，活性物質能誘導污染物中的不飽和鍵斷裂和開環，逐步將廢水中的大分子物質分解為小分子，顯著提升了難降解物質的可生化性。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、環保的污水處理方法。基于等離子體技術的優勢，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、總氮和副產物的濃度，結果表明，NH3-N更容易被堿性環境中生成的活性物質氧化。
通過水楊酸捕獲生成的?OH，結果表明，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境保護方面具有重要意義。
圖1. 氣液放電裝置反應系統圖
山東農業大學為完成該論文的第一單位，山東農業大學機械與電子工程學院王冉冉為論文的第一作者，山東農業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
