低温等离子体在环境领域的应用

利用低温等离子体技术治理和修复环境污染具有广阔的应用和发展前景，可以为环境污染治理领域提供一条新的思路。《低温等离子体在环境领域的应用》结合作者多年来的研究成果，展示了低温等离子体技术及其联用技术用于水体及土壤中各种污染物的治理研究。在水污染处理方面，本书介绍了低温等离子以及低温等离子体与生物法、催化材料等联用处理染料废水、药物及个人护理品的效能及机理研究；创新地将微纳米气泡技术与低温等离子体技术进行了耦合，以改善气体等离子体技术在气液传质方面的瓶颈问题，并将该技术应用于苯胺、消毒副产物等芳香及杂环化合物的降解研究。在土壤修复方面，本书详细介绍了介质阻挡放电和脉冲电晕放电对土壤中多环芳烃以及全氟化合物等新型污染物的去除能力以及对土壤的改良作用。此外，本书还介绍了低温等离子体技术在灭菌以及污泥预处理方面的研究成果。

《低温等离子体在环境领域的应用》以等离子体处理环境中有机污染物的研究成果为主要内容，介绍了低温等离子体的产生过程和机理，以及该技术在水处理和土壤修复方面的研究现状，给出了电晕放电、介质阻挡放电、辉光放电等多种放电的基本原理及对有机污染物的降解性能和机理。书中结合作者多年来的研究成果，展示了低温等离子体及其联用技术在环境领域的应用研究。全书共分为8章，内容涵盖：低温等离子体及低温等离子体联合生物法、吸附、催化等技术应用于印染废水、药物及个人护理品的降解，低温等离子体耦合微气泡技术对水中芳香及杂环化合物的降解，低温等离子体灭菌，低温等离子体修复污染土壤，低温等离子体对剩余污泥的预处理，等等。本书可供污染控制技术等环境领域的科研人员、工程技术人员参考，也可供高等学校环境科学、环境工程及相关专业的师生参考。

刘亚男，2005年7月毕业于哈尔滨工业大学市政环境工程学院，获工学博士学位，之后任职于东华大学（原中国纺织大学）环境科学与工程学院工作，职称教授，博导；副院长。2009年9月至2011年3月期间获中法FFCSA项目资助在法国巴黎第六大学（皮埃尔·玛丽居里大学）LGPPTS实验室做博士后研究员，并获法国国家科学院颁发的博士后证书。主要研究领域：（1）低温等离子体、生物法去除水及土壤中的污染物研究；（2）水及土壤中新兴污染物质的归趋、去除及其机理研究。

第1章 绪论 0011.1 引言 0011.2 低温等离子体放电过程及原理 0021.2.1 等离子体的发生和性质 0021.2.2 低温等离子体作用机理 0031.2.3 低温等离子体技术研究现状 0031.3 应用于环境领域的低温等离子体技术 0041.3.1 电晕放电 0051.3.2 介质阻挡放电 0051.3.3 辉光放电 0061.3.4 滑动弧放电 0071.3.5 本课题组研究的低温等离子体技术的应用 008参考文献 009第2章 低温等离子体处理印染废水 0132.1 引言 0132.2 实验部分 0142.2.1 药品及仪器设备 0142.2.2 实验装置 0162.2.3 实验分析方法 0172.3 密封式介质阻挡放电体系降解偶氮染料的研究 0202.3.1 密封式介质阻挡放电体系降解活性艳红X-3B的性能研究 0212.3.2 密封式介质阻挡放电体系降解活性艳红X-3B的机理 0222.3.3 密封式介质阻挡放电技术耦合SBR工艺处理实际印染废水 0262.4 双介质阻挡放电体系降解活性黑KN-B的研究 0282.4.1 双介质阻挡放电体系降解活性黑 KN-B的性能研究 0292.4.2 双介质阻挡放电体系降解活性黑 KN-B的机理 0292.4.3 双介质阻挡放电技术耦合SBR工艺处理实际印染废水 0342.5 金属催化耦合介质阻挡放电降解活性艳蓝X-BR的研究 0362.5.1 纳米零价铁耦合介质阻挡放电降解活性艳蓝X-BR 0362.5.2 TiO2 耦合介质阻挡放电降解活性艳蓝X-BR 0392.5.3 各种催化体系的催化性能比较 0422.5.4 降解机理 0432.6 介质阻挡放电降解水中苯酚的研究 0462.6.1 双介质阻挡放电体系降解苯酚的效果 0462.6.2 单介质阻挡放电体系降解苯酚的效果 0482.6.3 单双介质阻挡放电效果对比 0492.6.4 苯酚的降解路径 0492.7 本章小结 050参考文献 051第3章　低温等离子体处理水中药物及个人护理品 0543.1 引言 0543.2 实验部分 0563.2.1 药品及仪器设备 0563.2.2 实验装置 0573.2.3 实验分析方法 0573.3 介质阻挡放电降解水中卡马西平的研究 0583.3.1 原位放电与异位放电对水中卡马西平去除的性能研究 0593.3.2 原位放电与异位放电产生的活性物质特性研究 0603.3.3 卡马西平的降解机理研究 0623.4 介质阻挡放电降解水中碘普罗胺的研究 0653.4.1 雾化等离子体和介质阻挡放电对水中碘普罗胺去除的性能研究 0673.4.2 介质阻挡放电对水中碘普罗胺去除的影响因素探究 0683.4.3 碘普罗胺的降解机理研究 0693.4.4 SBR模拟工艺处理等离子体工艺处理前后的碘普罗胺废水 0743.5 介质阻挡放电降解水中糖皮质激素的研究 0763.5.1 介质阻挡放电对水中糖皮质激素去除的性能研究 0773.5.2 介质阻挡放电对水中糖皮质激素去除的影响因素探究 0783.5.3 糖皮质激素的降解机理研究 0823.5.4 介质阻挡放电耦合过氧化钙技术降解水中糖皮质激素 0883.6 本章小结 094参考文献 095第4章 低温等离子体处理水中芳香及杂环化合物 1014.1 引言 1014.2 实验部分 1024.2.1 药品及仪器设备 1024.2.2 实验装置 1034.2.3 实验分析方法 1034.3 介质阻挡放电耦合微气泡降解水中苯胺的研究 1054.3.1 介质阻挡放电对水中苯胺去除的性能研究 1064.3.2 苯胺的降解路径 1094.4 等离子体耦合微气泡降解水中消毒副产物的研究 1104.4.1 等离子体耦合微气泡对水中二氯乙酸去除的性能研究 1114.4.2 二氯乙酸的降解路径 1124.5 介质阻挡放电耦合微气泡活化过硫酸盐降解阿特拉津的研究 1144.5.1 介质阻挡放电耦合微气泡对过硫酸盐活化及阿特拉津去除的性能研究 1144.5.2 阿特拉津的降解路径 1174.6 等离子体耦合微气泡降解水中全氟化合物的研究 1194.6.1 等离子体耦合微气泡对水中全氟辛酸去除的性能研究 1204.6.2 全氟辛酸的降解路径 1214.7 等离子体耦合微气泡降解水中污染物的常见影响因素 1244.7.1 放电功率 1244.7.2 溶液pH 1254.7.3 共存离子 1294.8 等离子体耦合微气泡降解水中污染物的机理 1344.8.1 等离子体的作用 1344.8.2 微气泡的耦合作用 1394.9 本章小结 143参考文献 143第5章 低温等离子体处理水中大肠杆菌 1525.1 引言 1525.2 实验部分 1535.2.1 药品及仪器设备 1535.2.2 实验装置 1545.2.3 实验分析方法 1545.3 介质阻挡放电杀灭大肠杆菌的研究 1565.3.1 低温等离子体杀灭水中大肠杆菌的性能研究 1565.3.2 介质阻挡放电杀灭水中大肠杆菌的影响因素 1605.3.3 介质阻挡放电杀灭水中大肠杆菌的机理研究 1645.3.4 介质阻挡放电抑制小球藻生长的研究 1725.4 本章小结 173参考文献 174第6章 低温等离子体修复石油类污染土壤 1776.1 引言 1776.2 实验部分 1786.2.1 实验材料 1786.2.2 药品及仪器设备 1786.2.3 实验装置 1796.2.4 实验及分析方法 1816.3 脉冲电晕放电修复芴污染土壤的研究 1846.3.1 脉冲电晕放电对土壤中芴去除的性能研究 1846.3.2 芴的降解机理研究 1866.4 低温等离子体修复菲污染土壤的研究 1886.4.1 低温等离子体对土壤中菲去除的性能研究 1886.4.2 菲的降解机理研究 1926.5 低温等离子体修复芘污染土壤的研究 2016.5.1 低温等离子体对土壤中芘去除的性能研究 2016.5.2 芘的降解机理研究 2026.6 低温等离子体修复汽油污染土壤的研究 2036.6.1 低温等离子体对土壤中汽油去除的性能研究 2046.6.2 汽油的降解机理研究 2056.6.3 处理后土壤安全性和肥力分析 2106.7 脉冲电晕放电修复石油污染土壤的研究 2126.7.1 脉冲电晕放电对土壤中石油去除的性能研究 2126.7.2 石油的降解机理研究 2136.8 等离子体修复污染土壤的常见影响因素 2156.8.1 污染物初始浓度 2156.8.2 土壤初始pH 2166.8.3 土壤含水率 2186.8.4 气体流量 2196.9 本章小结 220参考文献 221第7章　低温等离子体修复新型污染物污染土壤 2267.1 引言 2267.2 实验部分 2277.2.1 实验材料与仪器 2277.2.2 实验分析方法 2277.3 介质阻挡放电修复对硝基苯酚污染土壤的研究 2287.3.1 介质阻挡放电对土壤中对硝基苯酚去除的性能研究 2287.3.2 对硝基苯酚的降解机理研究 2297.4 低温等离子体修复全氟辛酸污染土壤的研究 2337.4.1 低温等离子体对土壤中全氟辛酸去除的性能研究 2337.4.2 PFOA的降解机理研究 2367.4.3 土壤毒理性研究 2407.5 低温等离子体修复新型污染物污染土壤的影响因素 2437.5.1 污染物初始浓度 2437.5.2 土壤初始pH 2447.5.3 气体流量 2457.5.4 常见离子 2467.6 本章小结 247参考文献 248第8章 低温等离子体耦合过氧化钙预处理剩余污泥促进消化产酸 2528.1 引言 2528.2 实验部分 2548.2.1 实验材料 2548.2.2 药品及仪器设备 2558.2.3 实验装置 2568.2.4 实验分析方法 2568.3 DBD/CaO2 耦合预处理污泥的协同效应 2588.3.1 DBD/CaO2 耦合对污泥增溶的协同效应 2598.3.2 DBD/CaO2 耦合对污泥厌氧消化水解产酸的协同效应 2628.4 DBD/CaO2 耦合预处理污泥的协同效应机制 2658.4.1 CaO2 促进DBD污泥预处理效果的机制 2658.4.2 DBD促进CaO2 污泥预处理效果的机制 2668.4.3 羟基自由基在DBD/CaO2 耦合预处理污泥过程中的作用 2688.4.4 DBD/CaO2 耦合预处理污泥对微生物的影响 2688.5 DBD/CaO2 耦合预处理污泥的工艺优化 2728.5.1 预处理过程中CaO2 投加量和放电功率的优化 2728.5.2 厌氧消化过程中CaO2 投加量和放电功率的优化 2748.6 DBD/CaO2 耦合预处理对污泥脱水减量、污染物去除及碳源回收的影响 2778.6.1 预处理对污泥脱水的影响 2778.6.2 预处理对污泥中有机物和重金属的影响 2788.6.3 预处理对污泥厌氧消化过程减量及产酸的影响 2828.7 本章小结 286参考文献 287

随着社会经济的不断进步和城镇化的不断推进，由各种人类活动引发的环境污染问题也日益严峻。水和土壤是人类生存和生产活动重要的物质基础，过去多年大量工业及农业活动导致的废水废物排放、农药过度使用等都对生态系统造成了严重的破坏。目前，环境中有机污染物的污染问题较为突出。这些有机污染物分布广、种类多，且成分复杂，部分物质还具有持久性、生物积累性、远距离迁移性以及生物毒性，这些物质不仅会对水体和土壤等环境造成严重污染，还有可能通过食物链富集，进而对人类的健康造成严重威胁。污染物的高效降解是解决有机污染物环境污染问题的重要环节，因此，开发绿色、高效、快速的污染物治理技术对降低和清除有机污染物带来的危害具有重要意义。低温等离子体技术是一种集物理、化学等综合作用于一体的新型处理技术。在电场的作用下放电区域内的气体或液体分子发生碰撞电离，产生具有强氧化性或还原性的活性粒子，同时伴随着紫外光、超声波、微波辐射及热效应等综合作用，可以促进一些在自然条件下难以进行的反应发生，在材料合成、杀菌、表面处理等领域均有广泛应用。近年来，低温等离子体技术在环境污染修复领域也逐渐得到重视，科研人员开展了大量研究。通过放电产生的大量活性粒子和多种物理化学效应很容易实现各种污染物的高效快速分解。与目前常用的污染物降解技术相比，该技术还具有对环境要求低、操作系统简单、无须额外添加药剂、不产生二次污染、处理时间短等优点。因此，利用低温等离子体技术治理和修复环境污染具有广阔的应用和发展前景，可以为环境污染治理领域提供一条新的思路。本书结合作者多年来的研究成果，展示了低温等离子体技术及其耦合技术用于水体及土壤中各种有机污染物的治理研究。在水污染处理方面，本书介绍了低温等离子体以及低温等离子体与生物法、催化材料等耦合处理印染废水、药物及个人护理品的性能及机理研究；创新性地将微气泡技术与低温等离子体技术进行了耦合，以解决气体等离子体技术在气液传质方面的瓶颈问题，并将该技术应用于苯胺、消毒副产物、全氟化合物等有机污染物的降解研究。在土壤修复方面，本书详细介绍了介质阻挡放电和脉冲电晕放电对土壤中多环芳烃和全氟化合物等新型污染物的去除能力以及对土壤的改良作用。此外，本书还介绍了低温等离子体技术在灭菌以及污泥预处理方面的研究成果。本书可供等离子体技术、污染控制技术等领域的科研人员及工程技术人员参考，也可供高等学校环境科学、环境工程及相关专业的师生参阅。本 书的内容包括作者研究小组近年来的研究成果，获得了来自国家自然科学基金项目、上海市科委基础研究重点项目、上海市科委国际合作项目以及上海市自然科学基金等多方面的资助；同时还要感谢在本书编著过程中付出辛勤劳动的高小婷、张茵茵、赵婧怡、王前程等同学。本书参考了大量文献资料，在此向所有参考文献的作者们致以诚挚的谢意!鉴于著者的时间和水平有限，书中难免会有疏漏和不足之处，敬请广大读者批评指正。著者2023年9月

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