采用耦合冷等离子体和活性炭吸附技术对纺织工业废水进行高级处理：性能与协同效应评估

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Advanced treatment of textile industrial effluents using a coupled cold plasma and activated carbon adsorption approach: Performance and synergy assessment

　　

Farnaz Nasiri|Shahroz Saviz|Roya Mafigholami|Atiyeh Hadi|Samira Sheikhi

伊朗德黑兰伊斯兰自由大学西德黑兰分校环境科学与工程系

摘要

由于纺织废水中含有大量的合成染料和难降解的有机化学物质，其处理一直是一个环境问题。为了有效去除实际纺织生产废水中的化学需氧量（COD）和颜色，本研究采用了一种结合冷等离子体氧化和颗粒活性炭（GAC）吸附的混合处理系统。基于中心复合设计，使用响应面方法优化了两种工艺的操作参数。在冷等离子体阶段，最佳条件为pH 7.6、施加电压25 kV、空气流速18.2 L/min和反应时间95分钟，分别实现了83.8%的COD去除率和85%的颜色去除率。在吸附阶段，当pH值为7.8、吸附剂用量为3 g/L和接触时间为100分钟时，COD和颜色的最大去除率分别达到88.1%和90.5%。当两种工艺结合使用时，混合系统表现出显著的协同效应，COD去除率达到98.7%，颜色去除率达到99.57%。根据动力学分析，这种等离子体-吸附混合过程的表观速率常数高于单独使用的工艺及文献中记载的许多传统处理技术。

引言

快速的工业化加剧了全球对淡水资源的压力，同时产生了大量需要有效处理的受污染废水，以防止严重的环境危害。在各个工业领域中，纺织业是用水量最大的行业之一，也是产生高度污染废水的主要来源。纺织废水通常含有复杂的合成染料、有机化合物、盐类、表面活性剂和重金属混合物，这些物质往往具有毒性、不可生物降解性，并在水环境中持续存在。染料的存在会显著降低光线穿透率，阻碍光合作用，并破坏水生生态系统，使得富含染料的废水成为重要的环境问题[1,8,22]。

由于许多染料分子的顽固性质，传统的生物处理方法效率较低，导致污染物滞留时间较长且去除不完全。化学混凝可以去除颜色，但常常会导致盐度增加和二次污染；而高级物理化学方法如臭氧氧化、离子交换、膜过滤和超声波氧化通常成本较高且能耗较大。因此，开发高效、经济且环境可持续的染料去除技术仍然是纺织业面临的主要挑战[27,47]。

等离子体通常被称为物质的第四态，是一种由电子、离子、光子和各种活性物种组成的电离气体。由于其独特的物理化学性质，等离子体在环境工程和高级氧化过程中受到了越来越多的关注[28]。在不同类型的等离子体中，冷（非热）等离子体具有特殊意义，因为它在接近室温的条件下运行，适用于处理对温度敏感的材料和环境相关的水系统[10]。冷等离子体是通过气体介质中的电放电产生的，能产生多种活性化学物种，包括高能电子、离子、自由基（如羟基^•OH）、氢（H^•）和原子氧（O^•），以及活性氧和氮物种。由于这些物种具有较高的氧化潜力，特别是^•OH（2.8 eV），冷等离子体能够有效断裂复杂的化学键并降解顽固的有机污染物。此外，臭氧（O?）、过氧化氢（H?O?）、单线态氧（1O?）和过氧亚硝酸盐（ONOO?）等物种进一步增强了其氧化和硝化能力[7,10]。

这些活性物种之间的协同作用赋予了冷等离子体卓越的多功能性。它在降解染料、降低化学需氧量、矿化顽固污染物和灭活病原微生物方面表现出显著潜力。这些能力，加上在常温条件下运行且无需化学添加剂或催化剂的特点，使得冷等离子体成为工业废水处理和环境修复的新兴且强大的工具[15,16,41]。在现有的等离子体生成技术中，介质阻挡放电（DBD）是在常压下生成冷等离子体最广泛采用的方法之一。在DBD系统中，一个或两个电极涂有玻璃、陶瓷或石英等介电材料，这种配置可以防止连续电弧的形成，从而产生稳定、分散且均匀的等离子体。DBD反应器由kHz–MHz范围内的高压交流电源驱动，能够高效生成活性物种，并已广泛应用于废水净化、水消毒、食品加工和医疗灭菌[3,16]。

最受欢迎和成功的分离方法之一是吸附，它因其低成本、易于使用、适应性强和去除效率高而受到重视。在各种吸附剂中，活性炭被认为是去除水和废水中碳氢化合物及无机污染物最成熟和广泛应用的材料之一。与金属和其他无机物质相比，活性炭在去除有机和碳氢化合物污染物方面表现出特别强的性能[43]。活性炭的优异吸附能力源于其巨大的表面积、高度多孔的结构以及多样的表面官能团。这些物理化学特性使得污染物与碳表面之间能够发生强烈的相互作用，从而实现高吸附容量和广泛的应用范围。活性炭有多种形式，包括球形颗粒、颗粒状和粉末状、碳纳米管、纳米薄膜和整体结构，可用于废水处理、饮用水净化、气相污染物去除以及去除颜色、气味和碳氢化合物污染物等多种环境应用[20]。

将吸附与生物或化学处理过程结合使用已被证明可以显著提高废水净化效果。这种混合方法不仅提高了生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）的去除率，还显著减少了颜色和难降解有机污染物的含量[40]。基于这一概念，最近的研究展示了将活性炭与等离子体辅助表面改性结合使用以进一步增强水中污染物去除的潜力。例如，Bidaei等人[4]报告称，对来自腐烂木材的活性炭进行高频DBD等离子体处理后，罗丹明B的去除效率提高了12–20%，具体取决于碳的来源[4]。同样，Pal等人[30]将非热等离子体与活性炭毡上的MnO涂层结合使用，通过离子交换、络合和共沉淀等协同机制，实现了Cu(II)的吸附容量为163.4 mg/g和Cd(II)的吸附容量为214.6 mg/g[30]。此外，Pillai等人[31]表明，经过等离子体改性的活性炭纤维垫由于引入了富氧官能团，表现出显著改善的锰吸附性能[31]。总体而言，这些研究表明，等离子体辅助的表面改性可以显著提高活性炭的吸附容量和选择性，为其在先进混合处理系统中的集成提供了有力支持。受这些发现的启发，本研究提出了一种新的混合处理系统，将冷等离子体技术与活性炭吸附相结合，用于处理染色工业废水。与传统生物或物理化学方法不同，该集成系统结合了高级氧化过程和高容量吸附，提供了更强的污染物降解能力、更好的颜色去除效果和更高的整体处理效率。本研究旨在阐明冷等离子体生成的活性物种与活性炭表面之间的协同作用，为开发下一代可持续废水处理技术提供了有前景的途径。

章节摘录

化学品

本研究中使用的颗粒活性炭（GAC）来自德国达姆施塔特的Merck公司。根据供应商规格，其BET表面积为约1000 m2/g，孔体积约为0.57 cm3/g，平均孔径约为2.5 nm。

其他化学品，包括颗粒活性炭（GAC）、重铬酸钾（K?Cr?O?）、硝酸银（AgNO₃）、氢氧化钠（NaOH）和硫酸（H₂SO₄），也由德国达姆施塔特的Merck公司提供。所有提到的

物理化学特性

为了确定基线状态并比较处理过程带来的变化，废水样本在收集后立即在标准实验室条件下进行了测试，并测量了与废水质量相关的关键参数，包括物理和化学指标。表1中的数值代表了收集后立即测得的废水样本的初始物理化学特性。表格的最后一列与

结论

对于纺织工业废水的强化处理，本研究展示了结合颗粒活性炭吸附和冷等离子体技术的混合处理方法的有效性。虽然吸附阶段通过捕获剩余污染物提供了有效的清洁效果，但冷等离子体技术通过产生高活性物种有效地分解了复杂的化学化合物和色素。响应面方法优化表明，操作因素

伦理标准

所有作者均已批准提交本文。

资金支持

本研究得到了伊朗德黑兰伊斯兰自由大学西德黑兰分校的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据和材料的可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文[及其补充信息文件]中。

参与同意

本研究中未涉及任何人类和/或动物。

出版同意

本研究不适用此条款。

CRediT作者贡献声明

Farnaz Nasiri：撰写 – 审稿与编辑、形式分析、概念构思。Shahroz Saviz：监督、项目管理。Roya Mafigholami：验证、监督、方法学、调查。Atiyeh Hadi：软件、数据管理。Samira Sheikhi：撰写 – 原稿撰写、可视化、软件、方法学。