放电极性对电晕放电废水处理效果的影响

大阪工业大学 Miichi 团队：比较正负极性对活性氧物种生成与醋酸分解速率的影响

关键词
电晕放电, 废水处理, 活性氧物种, 静电除尘器, 工业烟气治理

随着工业排放与水体污染治理的压力增大，电晕放电（corona discharge）作为一种非热等离子体技术，在废水处理和污水深度氧化中展现出提高去除难降解有机物与在表层产生强氧化物种（如·OH、O3、H2O2）的潜力。本文基于大阪工业大学 Tomoaki Miichi 等人的研究，解析了直流电晕放电极性对液面反应、溶解臭氧与过氧化氢生成，以及醋酸（作为难降解有机物模型）分解的影响，为工业现场（如浆纸、钢铁、水泥与化工）的烟气与废水协同治理提供技术参考[1-5]。

研究由 Miichi（大阪工业大学）主持，实验采用72针不锈钢高压电极对一不锈钢接地板，针尖与水面间距4 mm，反应液体体积45 mL。实验用两种溶液：经离子交换水加醋酸（25 mg/L）并用 NaOH 调至 pH 7.5；以及 10 倍稀释的 0.1 mol/L 磷酸盐缓冲溶液配以相同醋酸浓度。通氧流量为100 mL/min，正极性工况下加电约 5.70 kV、放电电流 0.730 mA，负极性为 5.55 kV、0.745 mA。通过离子色谱监测乙酸根浓度，气相臭氧用检测管测定，液相溶解臭氧与 H2O2 分别用便携式检测和试剂包测试[3]。

实验结果显示：气相臭氧在负极性下浓度较高，而液相溶解臭氧与过氧化氢在正极性条件下检测到的浓度更高；但醋酸的实际分解速率在负极性下更显著（尤其是 NaOH 调整的溶液）。在 NaOH 溶液中，溶解 O3 呈先升高后下降的趋势，缓冲溶液中几乎检测不到溶解臭氧。H2O2 在多数情况下随时间上升，负极性下在某一时刻出现回落。整体溶液 pH 在 NaOH 调整体系中随处理而下降（正负极均显著），仅在负极性中随着醋酸分解出现回升，而缓冲体系 pH 基本保持稳定。

机制上，研究指出 O3 与 H2O2 在近液面处的交互生成·OH 为主要氧化路径之一：H2O2 在中性或碱性条件下可解离为 HO2−，进而与 O3 反应生成·OH（式见原文）。因此，局部液面有效 pH、进入液相的离子种类（正离子或负离子）以及气相/液相氧化性物种的输运决定了有机物的降解效率。缓冲溶液将有效 pH 维持在 6.5–8.0 区间，有利于 O3/H2O2 联合高级氧化过程，从而提高醋酸降解量[5]。

对中国工业的启示包括：在浆纸、钢铁、水泥与化工等行业的废水或烟气洗涤水处理中，通过控制电晕放电极性、优化电极结构与场强分布，可有针对性地增强溶解性氧化剂（H2O2/O3）或促进表面·OH 的生成，从而提升难降解污染物的去除率并可能降低后续生物处理负荷。与静电除尘器（ESP）联动时，艾尼科（Enelco）在极板、极线及电场优化方面的技术积累能够发挥作用：例如采用优化电晕开启电压、改善极线布置与场强均匀性，既可提高放电效率，也能降低能耗与电极磨损，进而缩减运维成本并帮助企业实现排放达标与节能减排目标。

展望未来，结合在线 pH/氧化剂浓度监测与智能电场控制，可实现基于工况的极性与电源参数优化，从而在不同工艺水样与工业场景中达到最佳处理效果。艾尼科可在电极材料、极间距设计、电场均匀化以及设备模块化上为中国市场提供落地方案，配合预测性运维减少停机与备件成本，推动电晕放电与 ESP 技术在烟气治理与废水深度处理中的协同应用。

总之，本研究表明直流电晕放电的极性不仅影响气相臭氧产率，还会改变溶解氧化剂分布与表面化学路径，从而显著影响有机污染物的分解效率。针对不同水质与工业需求，可通过调整极性、pH 及电极结构实现性能优化，为中国重点行业的排放治理提供新的技术选项（研究由 JSPS KAKENHI JP21K04035 资助）[1-5]。

参考文献
[1] B. R. Locke, M. Sato, P. Sunka, M. R. Hoffmann, and J.S. Chang, Electrohydraulic discharge and nonthermal plasma for water treatment, Ind. Eng. Chem. Res., vol. 45 (3), pp. 882–905, 2006.
[2] P. Bruggeman and C. Leys, Non-thermal plasmas in and in contact with liquids, J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 42 (5), p. 053001, 2009.
[3] Y. Kawabata, M. Shindo, and T. Miichi, Effect of negative ions on decomposition of acetic acid in water using DC corona discharge, Electr. Eng. Jpn., vol. 214 (3), p. e23338, 2021.
[4] J. L. Brisset, Removal of pentachlorophenol from water by AC corona discharge treatment in air, J. Trace Microprobe Tech., vol. 16 (3), pp. 363–370, 1998.
[5] H. Paillard, R. Brunet, and M. Dore, Optimal conditions for applying an ozone-hydrogen peroxide oxidizing system, Wat. Res., vol. 22 (1), pp. 91–103, 1988.