高压脉冲电晕放电等离子体处理钻井液废水技术

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1、重庆科技学院毕业设计（论文）题 目 钻井液废水电晕脉冲治理研究 院 （系） 化学化工学院 专业班级 应用化学09级1班 学生姓名 谭殷正 学号 2009441764 指导教师 黄文章 职称 教授 评阅教师 陈以会 职称 副教授 2013 年 6 月 8日 I重庆科技学院本科论文 摘要 摘要高压脉冲电晕放电等离子体处理钻井液废水技术是一种新型的高级氧化技术，除了放电产生的活性粒子能够作用于复杂高分子化合物、油、悬浮物、酚类和表面活性剂之外，它还兼具紫外光解等效应，近年来已成为等离子体技术研究的热点。近年来，将高压脉冲电晕放电等离子体技术应用于废气废水治理，已受到国内外重视和研究，并在某些领域取得

2、了可喜进展和成果，通过对比其它的钻井液废水处理技术，指出了高压脉冲电晕放电等离子体技术的优势。本文从电源与反应器的配套性、电源特性、反应器特性以及溶液特性等几个方面对高压脉冲放电等离子体降解钻井液废水进行了系统的实验研究；通过对降解过程中的中间产物的分析，对其降解的途径进行了探讨。本文采用三相电极进行放电试验时，可以形成稳定的电晕弧光，电晕弧光在反应器空间内的充盈度好，电晕区间大，所处理的钻井液废水量大而且可以处于流动状态，电源能够很好的与反应器匹配。提高脉冲电压峰值或者提高脉冲频率都可以提高钻井液废水的降解效率，通过对脉冲电容有效能量的研究显示，提高脉冲电压对钻井液废水的降解效率影响更大。关

3、键词：高压脉冲；电晕放电；等离子体；钻井液废液；降解I重庆科技学院本科毕业论文 ABSTRACTABSTRACTHigh voltage pulsed corona discharge plasma treatment of drilling wastewater technology is a new advanced oxidation technology, in addition to the active particles generated by discharge can act on the complex polymer compound, oil, suspended s

4、ubstances, phenols and surface active agent, it also has ultraviolet photolysis effect, in recent years has become a hot research of plasma technology. In recent years, the high voltage pulse corona discharge plasma technology application in waste gas and waste water treatment, has received attentio

5、n at home and abroad and the research, the encouraging progress and achievements have been got, and in some areas, compared with other technology of drilling fluid in wastewater treatment, points out the high voltage pulse corona discharge plasma technology.This paper from the aspects of power and r

6、eactor facilities, power supply characteristics, reactor characteristics and solution properties of the experiment sys tem of the high voltage pulse drilling waste water discharge plasma degradation; through the analysis of the intermediate product in the degradation process, way of the degradation

7、were discussed.This paper adopts three-phase electrode discharge test, can form stable corona arc, arc in the reactor space filling of good, corona interval, drilling fluid treatment of waste water and can be in a flow state, the power supply can be a very good and reactor matching.Improve the pulse

8、 peak voltage or in crease the frequency of pulse can improve the degradation efficiency of drilling wastewater, display through the study of pulse capacitor energy efficient, improve the pulse voltage effect on drilling wastewater degradation greater efficiency.Keywords: high voltage pulsed; corona

9、 discharge; plasma; drilling waste liquor; degradation II重庆科技学院本科毕业论文 目录目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1引言11.2高压脉冲电晕放电等离子体技术21.3本文的研究内容和研究意义32高压脉冲电晕等离子体研究现状52.1等离子体概述52.2高压脉冲电晕放电62.3液相脉冲放电原理62.4本章小节73 实验装置、流程和测量方法93.1实验装置93.2实验流程113.3药品前期处理和测量方法114 实验部分134.1实验记录134.2数据分析244.3实验结论255结论26参考文献27致谢29重庆科技学院本科毕业论文

10、 1 绪论1 绪论1.1引言从陆地到海洋，都有油气田勘探开采过程，开采范围广，而在开发过程必将产生大量的废弃钻井液，对自然环境与生态带来一系列严重问题，国家对自然环境安全的要求将会越来越高。油气田勘探开发过程中要产生大量的钻井废液，钻井废液含有大量的复杂高分子化合物如油、氯化物、酚类和表面活性剂，这些物质往往包含大分子难降解有机污染物，具有COD很高、色度高、分散性强、多变性、复杂性和难于生化降解的特点，如不能及时处理必然造成严重环境污染。目前单纯采用常规方法处理废液，不仅费用较高而且很难达到治理达标排放的目的。然而将电晕技术应用于钻井废水并协同生化处理就可以达到非常好的效果。近年来随着钻井工

11、艺的改进和新的低固相及无固相钻井液的应用，钻井液废水C0Dcr或生物不可降解的有机物含量逐渐增加，钻井液废水处理难度加大，传统处理工艺、处理药剂和装置正在经受挑战。1怎样寻求高效、普适和可移动处理钻井液废水的方式一直为人们所追求。目前，国内外常用的物理化学法、化学处理法、电絮凝化学处理法、生化处理法2-5，同时它们均有各自的适用范围和优缺点。图1.1 国内油气田主要采用化学法和物理化学法。油田 处理工艺 大港 混凝沉降活性炭吸附江苏、河南 化学脱稳-强化固液分离新疆 酸碱絮凝沉淀四川 混凝沉淀-化学氧化冀东 破乳-混凝-气浮-过滤-吸附钻井液中含有某些物质进入水体，影响地下水，引起天然水体发生

12、物理的、化学的变化，从而使水质变坏。生化处理的方法受到微生物生长条件的约束，如pH、温度、含盐量、有毒有害物质的影响等，对于钻井液废液含有的有毒有害物质不能完全处理。因此，为了更好的保护环境，降低或消除废钻井液对环境的污染，有必要对作业现场的废钻井液进行快速、高效的处理，为自然环境的安全建立第一道环保处理防线，并展开系统的基础研究和应用研究。1.2高压脉冲电晕放电等离子体技术高压脉冲电晕技术是利用在两电极间施加脉冲高压产生电晕放电作用于周围介质，放电产生臭氧、活性强氧化物质、紫外光等，这些活性粒子的强氧化性使难于生化降解的有机污染物被氧化为易于生化处理的小分子，且等离子体产生的紫外光还可以通过

13、光的催化氧化增强处理效果，通过脉冲电晕技术处理后的钻井废水再进行生化处理，以实现钻井废水的达标排放，为钻井废液车载移动化治理提供技术和理论保障。高压脉冲电晕放电处理钻井液废水技术是在特定的反应器内，利用外加的电场注入能量到水中或水面之上的空间，产生非平衡等离子体，引发一系列复杂的物理、化学反应过程，使高分子化合物、油、酚类和表面活性剂等最终矿化为CO2和H2O等易降解或无毒害的物质，达到有效降解钻井液的目的。陡前沿、窄脉冲的电子瞬间获得能量成为能电子，与水碰撞使水分子解离，产生OH、HO2、O、H、H2O2等活性物种，这些活性物种与高分子化合物、油、酚类和表面活性剂等反应使之降解6。在这些过程

14、中，由于高压会使分子的电离、跃迁等产生一些物理效应如紫外光、超声、冲击波、局部高温等，这些过程也会促使有机物的降解。因此，高压脉冲放电技术是集多效应于一体的新型高级氧化技术，由于具有较高的能量利用率、使用能源的清洁、治理过程中无二次污染等优点而使这一技术具有广阔的实际应用前景。但是该技术的水处理效率比较低，因此强化高压脉冲放电水处理工艺已成为一个十分重要的研究课题。本项目在现有研究报导有关废钻井液处理研究基础上，探求采用高压脉冲电晕技术产生高活性氧化物质对有机污染物进行降解的实验研究与机理研究，并结合生化处理技术，以实现在野外快速达标排放。本论文主要探讨了高压脉冲放电水处理技术的机理及模型，归

15、纳、概括了高压脉冲放电电晕过程中物理效应的形成及其作用、液体介质的击穿机理及击穿模型，并且还分析了高压脉冲放电过程中发生的化学过程。高压脉冲放电钻井液废水处理技术几乎是各种高级氧化技术的天然组合，是集各种高级氧化技术于一身的新型水处理技术。具有开发费用低，处理彻底、无二次污染等优点，被认是21 世纪废水处理最有发展前途的技术之一。但对废液放电过程来说，更多的理解来自于放射化学及其相关的文献，很少有详细的定量理解。为进一步理解高压脉冲放电钻井液废水处理技术的原理，该文对高压脉冲放电处理钻井液废水过程中的物理效应、液体介质的击穿机理及发生的化学过程进行了归纳，指出了研究现状中存在的问题及进一步研究

16、的方向。将脉冲电晕放电技术应用于钻井液废水治理，已受到国内外专家的重视，并且在很大程度上取得了可喜的进展和成果7-10。1.3本文的研究内容和研究意义本文研究了高压脉冲电晕放电对钻井液废水治理的优化工艺参数，并协同生化作用进行处理，不仅可以实现对各类钻井液废水治理达标排放，而且具有很好适应性和经济效益，具有很好的推广性和发展潜力，为移动灵活车载化治理钻井液废水打下了理论和技术基础。高压电场施加于地极和放电极上，两极间的高强电场使放电模式可分为电晕流光放电、弧光放电和火花放电。电晕流光放电产生非平衡等离子体，弧光放电产生热等离子体，火花放电产生非平衡和热等离子的混合体。火花和弧光放电不同于电晕流

17、光放电，火花和弧光放电之间的不同仅在于它们的持续时间。目前，国内外常用的物理化学法、化学处理法、电絮凝化学处理法、生化处理法等处理钻井废水技术仍然存在处理剂效能不高、污染物深度去除能力有限、连续式处理装置针对性不强及处理费用较高等缺点11-12，并难以实现治理达标排放。近年来，将脉冲电晕放电等离子体技术应用于废气废水治理，又特别是钻井液方面，已受到国内外重视和研究，并在某些领域取得了可喜进展和成果，但脉冲电晕放电用于钻井液废水的治理研究报道还很少见。高压脉冲放电水处理技术几乎是各种高级氧化技术的天然组合，是集各种高级氧化技术于一身的新型水处理技术。具有开发费用低，处理彻底、无二次污染等优点，被

18、认为是21 世纪废水处理最有发展前途的技术之一。现用钻井废水处理技术有如下不足：1）处理剂效能不高如化学混凝法处理钻井废水所用凝聚剂和絮凝剂的效能直接影响处理效果。无机凝聚剂硫酸铝、PAC和PFS及有机絮凝剂HPAM 去除废水中粘土悬浮物、油类和重金属离子等污染物效果较好，但去除COD 和色度能力较差，特别是对聚磺体系泥浆产生的废水，C0D 和色度去除率更低。2）处理方法单一，污染物深度去除能力有限钻井废水除含有大量悬浮物和胶体粒子之外，还含有一定量可溶性有机小分子化合物和高分子聚合物(如聚磺泥浆处理剂分子结构中含有多个亲水基团和发色基团，在水中易形成稳定的高分子溶液)。化学混凝法处理去除可溶

19、性有机物的能力非常有限，必须配套采用其他方法如活性炭吸附、催化氧化和生物氧化法等形成多元综合处理技术进行深度处理。3）连续式处理装置针对性不强，处理费用高目前国内油田使用的钻井废水连续式处理装置，较好地解决了间歇式处理装置中“水夹泥”和“泥带水”问题，实用性较强，但仍有以下不足：钻井废水水质变化不定，处理药剂种类无法定型，用量不易确定；连续式处理装置使用不方便；设备造价较高，运行费用较高。本试验采用高压脉冲电晕催化降解技术，利用改进的三相电极进行试验，对比了Fe2+的浓度影响钻井液废水的降解情况，并对协同方法降解钻井液废水过程中的各种参数进行了研究，确定了高压脉冲电晕催化降解钻井液废水的最佳条

20、件，并在测定了钻井液废水降解的中间产物CDO之后，对钻井液废水降解的机理进行了探讨。具体研究如下：(1)考察了高压脉冲电晕催化降解钻井液废水技术的效果，即：在废水中添加不同浓度的Fe2+与高压脉冲电晕协同降解钻井液废水。比较了添加前后钻井液废水的降解效果，对Fe2+离子添加量进行了对比。(2)探讨了高压脉冲电晕催化降解技术各种因素对钻井液废水降解效果的影响，如脉冲电压峰值、脉冲频率、曝气速率等。并对各工况进行了优化研究。(3)探讨了溶液特性对高压脉冲电晕催化降解技术的影响。主要研究了废水初始pH值、初始电导率以及初始钻井液废水浓度等溶液因素。提出了高压脉冲电晕催化降解技术的最优点。(4)检测了

21、钻井液废水降解的中间产物的COD，在此基础上，探讨了高压脉冲电晕协同Fe2+降解钻井液废水的反应机理及降解途径。28重庆科技学院本科生毕业设计 2高压脉冲电晕等离子体研究现状2高压脉冲电晕等离子体研究现状以纳秒级的高压脉冲加载在电极上进行放电，会产生一系列的非平衡等离子体。高压脉冲电晕放电是获得非平衡等离子体的一种重要方式，对于高压脉冲电晕处理钻井液废液中的污染物脱除过程，电晕放电在各种条件下的宏观特性及微观机理对对其都起决定作用。同时高活性的自由基则是污染物脱除的关键因素，本章对非平衡等离子体，电晕放电自由基形成等基本物理过程以及高压脉冲等离子体水处理研究情况进行了阐述。同时，结合生化法降解

22、电晕处理后的废液，能达到非常好的效果。2.1等离子体概述通过高温或电场加速给电子、离子等物质增加能量，中性物质会被离解成电子、离子和自由基。不断的从外部施加能量，物质则会被离解成阴、阳荷电离子的状态称为等离子体。一般来说，物质的状态按照从低能到高能的顺序可以排列为固体、液体、气体、等离子体。等离子体也叫物质的第四态，是具有化学反应活性的特殊气体。电离生成的电子、正离子一般在短时间内又会再结合，回到中性原子或分子状态。此时电子、正离子所具有的一部分能量就以电磁波、再结合粒子的动能或者分子的离解能形式被消耗。分子离解时往往形成自由基，而一部分电子与中性原子、分子接触，又生成负离子。因此，等离子体是

23、电子，正负离子，激发态原子、分子以及自由基混杂的状态。按等离子体通道与粒子的温度划分，等离子体可分为平衡等离子体和非平衡等离子体。在平衡等离子体中，电子与其他粒子的温度相同，一般在5000K以上；在非平衡等离子体中，电子的温度一般高达105K，而其他粒子和整个等离子体通道的平均温度只有300500K。故电子与其它粒子为非平衡态。非平衡等离子体较平衡等离子体易在常温、常压下产生，因此在工业应用中有着广阔的前景13-14。近年来应用非平衡等离子体进行水污染控制的技术得到了快速的发展，主要针对有毒有害的生物难降解污染物的去除15，以及杀菌消毒，除藻类水体微生物16。该技术在有机物降解过程中以产生强氧

24、化性化学反应的羟基自由基为主，辅助物理作用，如紫外光解效应，超声空穴，高温热解等。因此，普遍认为是一种新型的高级氧化技术17-18。2.2高压脉冲电晕放电液相放电的本质与气相放电相同，区别在于气相放电的介质主要是气体或是以液体为分散相而均匀分散于气体的混合介质，而液相脉放电的主要介质是液体。脉冲电晕技术的特点是：采用高压脉冲电源，脉冲电压的上升前沿极陡(几十至几百纳秒)，峰宽窄(几微秒以内)，在极短的脉冲时间内电子被加速而成为高能电子，其他质量较大的离子由于惯性大在脉冲瞬间内来不及被加速而基本保持静止。因此放电所提供的能量大多用于产生高能电子，能量效率较高。与其它放电方式相比，脉冲电晕还具有以

25、下几个优点：脉冲电晕可以获得较高的脉冲峰值电压，而不象直流电晕那样在稍高的电压下容易过渡到火花放电，其活性粒子浓度可比直流电晕提高几个数量级；由于在高压作用下电晕区较大及放电空间电子密度较高，同时空间电荷效应也较明显，使电子在反应区内分布趋于均匀，所以其活性空间比直流电晕大的多。由于电子密度大、分布广，反应器可以设计为较大空间，以允许反应器的制造误差要求放宽。脉冲电晕放电可以用于产生液相放电，水溶液中脉冲电晕放电作用可以产生H、OH等自由基，随着放电的进行，水(溶液)的电导率升高，H自由基的产生量下降，而OH自由基却先上升后下降，并在电导率为10uscm处达到极大值19。2.3液相脉冲放电原理

26、在本研究中，拟采用脉冲电晕放电法与生化处理法协同技术处理钻井液污水。脉冲电晕放电处理钻井液废水的依据是等离子体的化学反应过程。等离子体空间富集的离子、电子、激发态的原子、分子和自由基，提供了极活泼的反应性物种。这些活性物种在通常的化学反应中不易得到，但在等离子态却可持续地产生，而且是靠电子动能激发的，从而产生高活性物种。液相放电产生的等离子体主要是：OH、H、O、H02等自由基，另外还有大量强氧化性物质如：03、H202等。可能发生的反应如下：H2OOH+HO 2OOH+HH2OOH+H2H2O+HOH+H2O2H2O+HO22OHH2O2R1R2R1+R2式中R表示链烃。产生的这一类高活性物

27、种在放电化学过程中起着特别重要的作用，从而使并行地进行多种化学过程成为可能，如激发分子解离、离子分子反应、激发能传递、慢电子溶剂化以及它们之间也发生反应等。脉冲电晕放电所产生的非平衡等离子体，因为脉宽小，脉冲前沿上升时间短，能量基本上不消耗在对产生自由基无用的离子加速迁移上，而是作用在自由电子上，使其具有形成高活性自由基所需的能量，促进钻井液废水中的各类有机物有害物质的激发裂解或电离。同时，脉冲电晕放电产生的紫外线、臭氧等多种效应也会对有害物质起到降解作用。高压脉冲电晕技术应用于废水处理是水化学与高电压技术的有机结合，其基本原理为：在两极间施加的脉冲高电压产生电晕放电作用于周围介质，放电产生臭

28、氧、活性强氧化物质(OH、O等自由基及O3、H2O2)、紫外光等，这些活性粒子的强氧化性使难降解有机污染物被氧化成低毒(或无毒)的小分子物质，且等离子体产生的紫外光还可通过光的催化氧化增强处理效果，达到将有机污染物质降解的目的。生化法是利用微生物降解代谢有机物为无机物来处理废水。通过人为的创造适于微生物生存和繁殖的环境，使之大量繁殖，以提高其氧化分解有机物的效率。在野外作业时，可以利用自然界广泛存在，以有机物为营养物质的微生物来分解污水中处于溶解状态和胶体状态的有机物，并将其转化为CO2和H2O等稳定无机物。2.4本章小节本章介绍了高压脉冲电晕放电非平衡等离子体发生机理和非平衡等离子体内部主要

29、特征。分析了液相高压脉冲电晕放电形成的非平衡等离子体中，高能电子与其他离子、自由基、及中性分子之间的相互过程。同时，对电晕放电等离子体中自由基的生成，自由基污染物反应过程作了进一步的讨论。认为自由基通过与污染物及其他背景分子相互碰撞在短时间内消亡。自由基与污染物的反应其有无选择性的特点，说明脉冲电晕非平衡等离于体属于高级氧化技术的一种，是一种很有前途的钻井液废水处理新技术。因此对于含有大量的复杂高分子化合物、油、悬浮物、重金属、氯化物、酚类和表面活性剂等难于生化降解的钻井液废水，采用脉冲电晕放电法与生化处理法协同技术处理不仅可以实现治理达标排放，而且具有很好适应性和经济效益，具有很好的推广性和

30、发展潜力，为移动灵活车载化治理钻井液废水打下了理论和技术基础。讨论了高压脉冲放电产生非平衡等离子体的放电方式，在此基础上对反应器以及电极进行了探讨。在吸收借鉴前人成果的基础上，对电极进行了改进，提出了本实验将要应用的三相电极，对反应器以及电极的一些参数进行了详细介绍。重庆科技学院本科生毕业设计 3 实验装置、流程和测量方法3 实验装置、流程和测量方法3.1实验装置本文所采用的试验装置由高压脉冲电源，反应器，水循环系统、进(排)气系统及测量系统五部分组成。脉冲高压由高压脉冲电源提供。高压脉冲电源工作原理为：输入单相交流电220V后经高压变压器升到一定高压再整流而得直流高压输出，直流高压再给负载充

31、电，使负载获得脉冲高压（0-40KV可调）。高节机器的脉冲频率旋纽可以调节脉冲频率（50Hz-1KHz可调）。图3.1 放电实验装置示意图反应器由有机玻璃制成，内附环形的不锈钢板作为接地极，中心轴由不锈钢管电极棒和针头构成，作为高压放电极。电晕反应器是脉冲放电降解有机物反应的核心部分，它包括辅助电极、工作腔、放电电极等部件。放电电极为不锈钢及金属铁材质，脉冲放电的峰值电压由脉冲电容器决定。图3.2（a） 实验装置实物图图3.2（b）针筒式放电结构图水循环系统由大气压力带动，循环于反应器与储液容器之间，出水端设置一个可控的水龙头，存储废液并方便取样。进(排)气系统主要由气体钢瓶、阀门、电极棒以及

32、出气口组成。测量系统主要由排水阀排除，然后用QCOD-2H型化学需氧速测仪测取。实验装置如上图所示的反应器中加入一定量的钻井废溶液，实验时，由空压机向反应器底部鼓入空气，空气在溶液中形成无数的小气泡，在两电极间形成了以液体为连续相，气体为分散相的空气电介质。在溶液中，气泡的存在有利于引起气泡局部放电，最终导致在曝气过程中氧气在高压脉冲放电的作用下产生臭氧，由放电初始阶段的活性自由基氧等离子体与氧气反应生成，具体的反应如下：O2+ev2O (O2在高压放电下离解成O自由基)O+O2O3 (O自由基与O2反应生成O3)3.2实验流程（1）准确测定钻井液废液原始的CODcr；（2）取3L钻井液废液于

33、反应器内；（3）打开气源，控制气流流量，使反应器内溶液均匀，待气体、液体流动速度稳定；（4）由空压机通入空气，同时施加设定值的高压脉冲电压，进行电晕放电；（5）每隔一定时间（10min）取液并测定其CODcr；（6）更换不同的爆气率、电压、Fe2+等因变量，做多组平行实验。3.3药品前期处理和测量方法药品前期处理：1）重铬酸钾标准溶液：称取预先在120烘干2H的基准或者优质纯重铬酸钾3.065g溶于水中，移入250ml容量瓶，稀释至标准线，摇匀。2）硫酸-硫酸银溶液：于500ml浓硫酸中加入5g硫酸银。放置1-2d，不时摇动使其溶解。3）聚丙酰胺溶液：准确称取0.8g聚丙酰胺，缓慢加入500m

34、l蒸馏水中，并不停的经行搅拌，使其完全溶解并均匀。另外配制阴离子和阳离子型的聚丙酰胺备用。4）Fe2+：分别配制0.010mmol/l；0.015 mmol/l；0.020 mmol/l的溶液。5）把浓硫酸配置成20%的硫酸，用于酸化钻井液废液。测量方法：取原液于桶中，稀释10倍（体积比）后加入硫酸，用pH试纸粗测废液pH使其PH在2-3左右。测量装置：由深圳市昌鸿科技有限公司生产的QCOD-2H型化学需氧速测仪(CODcr测量仪)。CODcr测定步骤：1）开机预热一定时间，使消解器自动升温到165；2）分别移液管移取蒸馏水（空白）或待测样品3.00ml于清洗干净消解管中，加入1.00ml消解

35、液（重铬酸钾），再加入5.00ml催化剂（硫酸-硫酸银），具塞摇匀。平行做3组。3）将消解管放入消解炉孔内，待温度降至设定值后按“消解”建经行消解，消解10min，消解完毕后蜂鸣报警。4）取出消解管至试管架，自然冷却一段时间后，再水冷至室温。待其冷却至室温，用CODcr仪器测取COD。5）按“查询曲线”键，利用箭头选择所需的标准曲线序号，按“确认”键确认。6）按“测试空白”键，将已消解好的待测的样品空个白和注入比色皿内，测定吸光度稳定，按“确认”键，仪器自动调零。7）按“测试空白”键，将已消解好的待测样品注入比色皿内，仪器显示吸光度及样品的COD值。重庆科技学院本科毕业论文 4 实验部分4 实

36、验部分高压脉冲电晕放电处理废水技术是一种新型的水处理高级氧化技术。它具备高能电子辐射，化学物质氧化等高级氧化技术对液相钻井液废液进行化学降解。高压脉冲电晕技术在两电极间施加脉冲高压产生电晕放电作用于周围介质，放电产生臭氧、活性强氧化物质、紫外光等，这些活性粒子的强氧化性使难于生化降解的有机污染物被氧化为易于生化处理的小分子，且等离子体产生的紫外光还可以通过光的催化氧化增强处理效果；此外对高压放电产生活性物质氧化钻井液有机污染物的机理做深入研究，通过机理研究更能进一步诠释高压脉冲电晕技术对处理钻井液废水的有效性。研究了高压脉冲电源参数对钻井液废液降解的影响，如脉冲电压峰值、脉冲频率、输入功率；脉

37、冲电晕放电反应器放电参数、电极布置方式等的最优化方案；生化处理技术参数等；同时研究了催化剂的添加量对钻井液废液降解的影响，并在此基础上进行了一些优化设计。4.1实验记录4.1.1气流量对废液的影响不施加电压，只通入空气（开1/4阀门），每隔10min取样测取一次，做三组平行试验，记录如表4.1所示。表4.1 只通入空气（开1/4阀门）时溶液的COD值试验序号初始COD/（mg/l）10mins后20mins后30mins后40mins后1#5367.384789.634925.694388.914884.262#4953.065174.244415.514636.574939.413#4479

38、.344535.664574.514947.344975.94平均/Ave4933.264833.184638.574657.614933.54图4.1 通入空气（开1/4阀门）时,放电时间对COD值的影响不施加电压，只通入空气（开1/2阀门），每隔10min取样测取一次，记录如表格4.2所示。表4.2 只通入空气（开1/2阀门）时溶液的COD值试验序号初始COD/（mg/l）10mins后20mins后30mins后40mins后1#4863.215064.354796.584912.544759.812#5126.344862.244805.545021.374806.293#5096.5

39、64796.625024.644892.264935.64平均/Ave5028.704907.744875.594942.064833.91图4.2 通入空气（开1/2阀门）时,放电时间对COD值的影响不施加电压，只通入空气（开1/1阀门），每隔10min取样测取一次，记录如表格4.3所示。表4.3 只通入空气（开1/1阀门）时溶液的COD值试验序号初始COD/（mg/l）10mins后20mins后30mins后40mins后1#5201.344986.574988.675012.424956.182#4967.815084.214997.955006.195100.503#5413.525

40、112.945002.544986.254995.57平均/Ave5194.225061.244996.395001.625017.42图4.3 通入空气（开1/1阀门）时,放电时间对COD值的影响由图4.1-4.3可知：单独通入空气对本实验影响不大。且实验时，1/2和全阀门气流太大，会使针筒式放电结构上下震动，易损坏实验装置。故选取1/4阀门的气流量。4.1.2放电电压对废液COD的影响脉冲电压10KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），每隔10min取样测取一次，记录数据如表格4.4：表4.4 脉冲电压10KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门）时溶液的COD值试验序号初始 COD/

41、（mg/l）10mins后20mins后30mins后40mins后1#2272.502512.442767.852712.452636.542#2426.252677.622696.452656.842780.543#2615.002625.322645.462865.322903.42平均/Ave2437.922605.132703.252744.872773.50 图4.4 放电电压为10KV，放电时间对COD值的影响脉冲电压15V，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），每隔10min取样测取一次，记录数据如表格4.5：表4.5 脉冲电压15V，频率50HZ，通入空气（1/4阀门）时溶液

42、的COD值试验序号初始COD/（mg/l）10mins后20mins后30mins后40mins后1#1301.261456.261680.332005.312258.792#1342.591645.581661.392076.212326.453#1227.681497.791626.591885.092235.23平均/Ave1290.511533.211656.101988.872273.49图4.5 放电电压为15KV，放电时间对COD值的影响脉冲电压20KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），每隔10min取样测取一次，记录数据如表格4.6：表4.6 脉冲电压20KV，频率50H

43、Z，通入空气（1/4阀门）时溶液的COD值试验序号初始COD/（mg/l）10mins后20mins后30mins后40mins后1#2258.792365.042442.542881.163027.592#2326.452340.972517.462997.492915.183#2235.232265.782525.172983.872842.51平均/Ave2273.492323.932495.062954.162928.03图4.6 放电电压为30KV，放电时间对COD值的影响脉冲电压25KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），每隔20min取样测取一次，记录数据如表格4.7：表4.

44、7 脉冲电压25KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门）时溶液的COD值试验序号初始COD/（mg/l）20mins后40mins后60mins后80mins后1#2135.042416.352567.522142.561751.242#2486.252482.692423.742290.201788.793#2285.002490.502578.472217.241940.10平均/Ave2302.102463.182523.242216.671826.71图4.7 放电电压为25KV，放电时间对COD值的影响脉冲电压30KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），每隔10min取样测取一

45、次，记录数据如表格4.8：表4.8 脉冲电压30KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门）时溶液的COD值试验序号初始COD/（mg/l）10mins后20mins后30mins后40mins后1#4540.292093.661126.07769.53737.622#4629.391874.431088.94746.39742.103#4467.732112.621121.26760.77746.33平均/Ave4545.802026.901118.76758.90741.98图4.8 放电电压为30KV，放电时间对COD值的影响脉冲电压35KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），每隔10

46、min取样测取一次，记录数据如表格4.9：表4.9 脉冲电压35KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门）时溶液的COD值试验序号初始COD/（mg/l）10mins后20mins后30mins后40mins后1#4572.812101.571121.96712.82686.672#4452.411863.381064.83698.44695.483#4645.252082.611097.15721.58691.25平均/Ave4556.822015.851094.65710.95691.13图4.9 放电电压为30KV，放电时间对COD值的影响由4.4-4.9可知，经过脉冲电晕连续放电，钻井

47、液废水中的COD呈现出一定的抛物线变化，先迅速上升然后快速下降。COD在放电初期迅速上升表明了钻井液废水中的高分子被强制氧化分解为小分子，随着放电的进一步进行其COD迅速下降，表明小分子同时也被迅速氧化分解。4.1.3 Fe2+浓度对废液COD的影响脉冲电压35KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），Fe2+浓度0.010mmol/l，每隔10min取样测取一次，记录如表格4.10：表4.10 Fe2+浓度为0.010mmol/l时溶液的COD值试验序号初始COD/(mg/l)10mins后20mins后30mins后40mins后1#4378.331994.25903.12634.566

48、01.462#4405.562015.94896.34567.25584.253#4551.481965.481101.32624.65642.58平均/Ave4525.121991.89966.93608.82609.43图 4.10 Fe2+浓度0.010mmol/l时，放电时间对COD值的影响脉冲电压35KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），Fe2+浓度0.015mmol/l，每隔10min取样测取一次，记录如表格4.11：表4.11 Fe2+浓度为0.015mmol/l时溶液的COD值试验序号初始COD/(mg/l)10mins后20mins后30mins后40mins后1#46

49、82.441886.64642.51598.42511.492#4463.521987.57689.44576.37490.713#4577.261849.49704.58484.19492.27平均/Ave4574.411907.90678.84552.99520.16图 4.11 Fe2+浓度0.015mmol/l时，放电时间对COD值的影响脉冲电压35KV，频率50HZ，通入空气（1/4阀门），Fe2+浓度0.020mmol/l，每隔10min取样测取一次，记录如表格4.12：表4.12 Fe2+浓度为0.020mmol/l时溶液的COD值试验序号初始COD/(mg/l)10mins后2

50、0mins后30mins后40mins后1#4468.511989.57776.45601.44672.582#4578.921915.47811.68576.31510.333#4396.191957.62786.48580.19619.30平均/Ave4481.211954.22791.54585.98600.74图 4.12 Fe2+浓度0.020mmol/l时，放电时间对COD值的影响由上表10-12可知：增加Fe2+的浓度，废液降解先加强，后反而减弱。因此，本实验认为在35KV脉冲电压的情况下，Fe2+浓度为0.015mmol/l为最适点。4.2数据分析由表格1-3可以知道，单纯的通

51、入空气对本实验的影响不大。因为通入空气并不能使本来就放置于空气中的钻井液废液发生本质性的变化，因而，通入空气对本实验而言，基本是为了使钻井液液体均匀（放置过久，下面可能会有一定的沉降物）。由表格4可以知道，施加脉冲电压COD反而增加，但是总趋势并不大，说明在施加电压的初始阶段，废液中的大分子被分解为了数目更多的小分子。表格5-6对比表格4可以看出施加的电压越大，降解的速率越快。表格7当时间间隔取20min时，呈现抛物线变化，达到40min的时候，COD最高，此时，溶液中的大分子数目最多；后面COD逐渐降低，表明小分子已被分解掉了。表格8-9时，溶液的COD值主要是下降趋势，并趋于平缓，时间增加

52、，对其降价贡献不大。由表格10-12可以知道，在施加脉冲电压前向废液中加入一定量的Fe2+，可以更加有效的讲解废液，Fe2+在此时的溶液中做催化剂，在脉冲放电过程中，大量的强氧化性物质氧化Fe2+同时亦有大量的还原性物质去还原Fe2+。这样，能加速氧化还原的经行，发生的反应如下：Fe2+-eaqFe3+Fe3+eaqFe2+但是过量的Fe2+催化剂成为OH的抑制剂，捕捉OH，同时可以与O3反应，使得O3消耗，而且Fe2+浓度的增加使得溶液的电导率增加，这会抑制电晕的发展，最终导致废液降解率降低。4.3实验结论利用高压脉冲放电系统对钻井液废液进行了尝试性降解试验。通过观察电极的放电效果，测量放电

53、处理后的溶液的COD值，研究了电源与反应器的匹配性问题；通过向溶液中添加催化剂，对高压脉冲放电处理的钻井液废水进行比对，确定Fe2+对降解钻井液废液的影响；同时也研究了脉冲峰值电压参数对钻井液阵解试验的影响，结论如下：1）向钻井液废液中加入空气，不能起到很好的作用；2）施加电压能有效的降解钻井液废液中的大分子；3）加入Fe2+效果更加明显，但是有最适量；4）增加峰值电压，能加速钻井液废液的降解。2）由上表格可以得出通气1/4阀门，Fe2+浓度为0.015mmol/l，脉冲电压为35KV的时候为最适点。3)经过脉冲电晕连续放电处理钻井液废水，大分子变成了更容易降解的小分子，加强了其生化处理能力。

54、重庆科技学院本科生毕业设计 5 结论5结论水体污染威胁着人类紧张的淡水资源，如何处理钻井液废水中的难降解有机物是近期国内外研究的热点。本文依托中国石油科技创新基金研究项目，采用正极性高压脉冲放电系统和本文试验设计的三相电极，对液相钻井液废水进行了降解试验。对脉冲峰值电压、脉冲频率进行了优化；对电极结构、电极参数、反应器的系统参数以及溶液参数进行了优化。同时通过对钻井液废水降解中间产物的CODcr测定，探讨了钻井液废水COD的下降途径。通过施加最优化的脉冲电晕，仅分别向溶液中添加不同浓度的Fe2+可以对钻井液废液处理起到一定的作用。通过本实验发现，放电产生的粒子性的效果大于外加的Fe2+效果。电

55、源的脉冲峰值电压以及脉冲频率决定了电极间的电场强度以及单位时间内输入反应器内的能量。提高脉冲电压峰值以及脉冲频率均可以提高钻井液废水的降解效率；通过提升脉冲电压峰值以及提升脉冲频率使得脉冲电容上的有效能量在同一范围内的对比试验发现，通过提升脉冲电压峰值能够更加有效的提高钻井液的能量利用率。利用高压脉冲电晕技术在两电极间施加脉冲高压产生电晕放电作用于周围介质，放电产生臭氧、活性强氧化物质、紫外光等，这些活性粒子的强氧化性使难于生化降解的有机污染物被氧化为易于生化处理的小分子，且等离子体产生的紫外光还可以通过光的催化氧化增强处理效果；此外对高压放电产生活性物质氧化钻井液有机污染物机理的机理做深入研

56、究，通过机理研究更能进一步诠释高压脉冲电晕技术对处理钻井液废水的有效性。通过脉冲电晕技术处理后的钻井废水再进行生化协同处理，以实现钻井废水的达标排放，在这一过程中，要进一步寻找和研究合适的生物反应器及相关技术，并研究特定的微生物，利用其氧化分解污水钻井液有机物。存在的问题：完成了脉冲电源放电系统的研制，和反应器气体分散系统及空气压缩系统的建立，但还没有对电极的各个参数如喷嘴数量、喷嘴直径、电极材料、放电间距等参数进行详细的优化。解决方案：进一步改变上述参数，设计不同的电极（电极间距）进行优化。重庆科技学院本科生毕业设计 参考文献参考文献1黄文章，杨兰平，王勇，陈双扣，刘成伦 钻井液废水电晕一生

57、化协同治理研究 西南石油大学学报 2009.82 朱正斌有机废水的处理方法现状及进展J化学工业与工程技术，2004，25(5)：5O一543 齐梅，郑小武，尹秀玲，等地层破裂状态下实施大排量污水回注技术研究J石油学报，2008，29(3)：455- 4584 陈可坚，李经伟，谷玉洪移动式作业废水处理装置的研究J石油机械，2002，30(9)：23245 王兵，徐辉钻井废水的可生化性研究J西南石油学院学报，2006，28(3)：96986张廷宗，郑经堂，陈宏刚 高压脉冲放电水处理技术的理论研究 2007.27 Sato M，0hgiyama T，Clements J SForIIlation o

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