非热等离子体技术去除冷却剂污染物的效率与介电特性研究

《Heliyon》：Utilizing non-thermal plasma technology for coolant contaminant removal: An efficiency and dielectric properties investigation

本研究针对工业冷却剂污染水处理难题，创新性地采用非热等离子体(NTP)技术，通过系统评估污染物去除效率及介电特性变化，证实NTP能有效降解乙二醇(CH2OHCH2OH)等污染物，将介电常数从57.69±0.33提升至77.46±0.27(200 MHz)，使水质接近反渗透(RO)水标准。该技术为工业废水处理提供了绿色、高效的解决方案。

　　

工业冷却剂污染是当前水处理领域面临的严峻挑战。在机械加工、发电设备等工业过程中，冷却剂作为散热介质广泛使用，但因其泄漏、不当处置等原因，大量含有乙二醇(CH₂OHCH₂OH)等有毒成分的冷却剂进入水系统，不仅危害水生生态系统，还直接影响工业用水质量。传统处理方法如反渗透(RO)、化学氧化等虽有一定效果，但存在能耗高、二次污染、操作复杂等局限性。面对这一困境，泰国苏拉那里理工大学电子工程学院的研究团队在《Heliyon》上发表了创新性研究成果，探索非热等离子体(NTP)技术在冷却剂污染水处理中的应用潜力。

为评估NTP技术的处理效能，研究团队建立了系统的实验方案。关键技术方法包括：采用铜制尖头电极构建NTP反应系统，在10 kV电压、2 kHz频率下生成等离子体；通过矢量网络分析仪(VNA)和开式同轴薄膜介电探头精确测量水样的介电常数和介电损耗因子；设置1-3 L/min不同流速和10-60分钟处理时长进行参数优化；利用红外热像仪监测处理过程中的温度变化；采用统计学方法对实验数据进行显著性分析。

介电特性测量结果

研究结果显示，污染水的介电特性在经过NTP处理后发生显著改善。未处理的污染水在200 MHz下的介电常数仅为57.69±0.33，远低于纯RO水的78.86±0.61，表明污染物严重影响了水的极化能力。经过60分钟NTP处理后，介电常数恢复至77.46±0.27，接近RO水水平。同时，介电损耗因子从0.82±0.32提升至2.07±0.26，说明NTP处理有效增强了水分子在电场中的响应能力。流速优化实验表明，1 L/min的较低流速处理效果最佳，因延长了水与等离子体的接触时间。

不同处理时间的介电特性

时间梯度实验进一步证实了处理时长对净化效果的影响。经过10分钟处理，污染水的介电常数即有明显提升，但仅达到76.89±0.28(200 MHz)。延长处理时间至60分钟后，介电特性进一步改善，充分证明NTP处理需要足够的作用时间才能实现污染物的充分降解。介电损耗因子的变化趋势也验证了这一结论，随着处理时间延长，能量损耗特性逐渐趋于稳定，表明污染物被有效去除。

物理性质变化

视觉观察结果直观展示了NTP处理效果。未处理的污染水呈深绿色，随着处理时间延长，颜色逐渐变浅。在1 L/min流速下处理60分钟后，水样变为清澈的淡黄色，表明大部分污染物已被降解。这种颜色变化与介电特性的改善相互印证，共同证明NTP技术能有效分解冷却剂中的有机污染物。

热效应分析

温度监测数据显示，NTP处理过程中水温呈缓慢上升趋势，在60分钟处理时间内从26°C升至41-43°C，证实该技术确实属于"非热"等离子体范畴。较高流速(3 L/min)下温度上升更明显，这是由于对流换热效率提高所致。这种温和的温度条件有利于避免高温对处理系统的损害，同时保证反应效率。

该研究通过系统实验证实，非热等离子体技术能有效降解工业冷却剂中的乙二醇等污染物，显著改善水的介电特性。其作用机制主要依靠等离子体产生的活性物种(羟基自由基、臭氧等)氧化分解污染物分子，最终生成二氧化碳和水等无害物质。与传统方法相比，NTP技术具有能耗低、无化学添加剂、环境友好等优势，为工业废水处理提供了新的技术路径。研究成果对推进可持续水管理、促进工业废水资源化利用具有重要意义，为相关领域的技术创新提供了重要参考。