《低溫等離子體技術(shù)處理甲苯廢氣實(shí)驗(yàn)研究（論文）》

目錄引言 1第1章低溫等離子技術(shù)的概念 21.1概述 21.2電子束照射法 21.3介質(zhì)阻擋放電法 4第2章實(shí)驗(yàn)裝置就及方法 52.1小試反應(yīng)器 52.2中試反應(yīng)器 62.3電源 62.3.1放電電壓測(cè)試 62.3.2電源的特性 62.4實(shí)驗(yàn)流程 62.5實(shí)驗(yàn)步驟和內(nèi)容 7第3章實(shí)驗(yàn)結(jié)果 73.1有效放電長度對(duì)甲苯降解的影響 73.2催化劑填充長度對(duì)甲苯降解的影響 83.3氣體流速對(duì)甲苯降解率的影響 83.4施加電壓對(duì)甲苯降解率的影響 9第4章甲苯降解產(chǎn)物及反應(yīng)機(jī)理分析 104.1反應(yīng)產(chǎn)物分析 104.2使用美國ThermoFisher分析 11結(jié)論 12參考文獻(xiàn) 13引言從英國工業(yè)革命開始，人類開始進(jìn)入到工業(yè)時(shí)代，生活質(zhì)量也因此得到巨大提高和改善，人口迅速增長，人類必定需要開采更多的自然資源來滿足人口的增長的需求，對(duì)大自然資源的掠奪因此也不斷加大?！坝械糜惺А保瑥拇笞匀宦訆Z資源利用后，廢氣物卻又“還給”大自然，這將會(huì)影響到生態(tài)平衡，最后影響的就是人類的生活和發(fā)展。良好的自然環(huán)境和充裕的自然資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，而大自然本身也具有一定的自我調(diào)節(jié)能力[1]。但是，如果人們過度開發(fā)和利用環(huán)境和資源，超越自然的自我調(diào)節(jié)能力，生態(tài)平衡就會(huì)被打破，已經(jīng)失去平衡的生態(tài)反過來會(huì)影響我們的生存。人類與自然環(huán)境是一個(gè)密切相關(guān)的共同體，彼此相互影響著，所以我們要保護(hù)我們賴以生存的家園。雖然人類已經(jīng)意識(shí)到要保護(hù)我們的自然環(huán)境，但是過去為了求發(fā)展而犧牲環(huán)境的做法已經(jīng)對(duì)環(huán)境造成破壞。環(huán)境污染可以分為下面幾種：海洋污染、空氣污染、水污染和噪聲污染。其中空氣污染指大類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物質(zhì)排放到大氣中，其濃度較高和在大氣長期沒被凈化，導(dǎo)致嚴(yán)重影響人類的正常活動(dòng)，對(duì)地球上的生物造成危害。空氣污染按照誘因劃分，可以分為自然原因和人為原因，自然原因主要是森林火災(zāi)、火山噴發(fā)；而人為原因是工業(yè)廢氣、生活廢氣、交通運(yùn)輸產(chǎn)生的廢氣等。隨著工業(yè)的發(fā)展，人為原因成為引發(fā)空氣污染主要的誘導(dǎo)因素，其中工業(yè)廢氣地過度排放造成的污染是最為嚴(yán)重的。工業(yè)廢氣主要有二氧化碳、二氧化硫、煙塵、硫化氫等無機(jī)廢氣以及苯、甲苯為代表的苯系數(shù)等有機(jī)廢氣。目前,隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和人民生活水平的提高,在全球范圍內(nèi)都不同程度地出現(xiàn)了環(huán)境污染問題,特別是在發(fā)展中國家?據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查稱,人類的癌癥?消化系統(tǒng)疾病?神經(jīng)系統(tǒng)疾病?呼吸系統(tǒng)疾病等都與環(huán)境因素密切相關(guān)?因此,環(huán)境污染問題已經(jīng)成為世界各個(gè)國家的共同課題之一?人需要呼吸空氣來維持生命?一個(gè)成年人每天的呼吸大約2萬多次,吸入空氣達(dá)15~20立方米?因此,被污染了的空氣對(duì)人體的健康有直接的影響?現(xiàn)階段我國生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化首先表現(xiàn)在大氣環(huán)境方面,尤其是工業(yè)生產(chǎn)?交通運(yùn)輸和日常生活中排放出了大量的有機(jī)廢氣,這些物質(zhì)使大氣環(huán)境質(zhì)量日漸惡化,并且已經(jīng)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)?社會(huì)后果?鑒于人們對(duì)有機(jī)廢氣危害的逐漸認(rèn)識(shí),自20世紀(jì)70年代以來,中國政府加強(qiáng)了對(duì)環(huán)保工作的力度,頒布并采取了一些防治有機(jī)廢氣的政策和措施,以減少有機(jī)廢氣的排放,并收到了一定的效果?但從總體來看,大氣環(huán)境污染和破壞還沒有完全被控制?目前,我國年排放VOCs約1800萬噸,《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》更是提出,“十二五”期間將針對(duì)石化?有機(jī)化工?合成材料?化學(xué)藥品原藥制造?塑料產(chǎn)品制造?裝備制造涂裝等重點(diǎn)行業(yè),完善VOCs的污染防治體系,以期達(dá)到改善空氣質(zhì)量和污染減排的目的?由此可見,中國的環(huán)境保護(hù)仍任重而道遠(yuǎn)?目前國內(nèi)外采用的有機(jī)廢氣處理方法包括吸收?吸附?冷凝?燃燒和生物技術(shù),其都存在投資大?周期長?運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn),且處理效果也難以滿足日益嚴(yán)格的排放要求?為此,需要尋找新的方法和途徑來解決這一難題,而低溫等離子體和光催化技術(shù)相結(jié)合則是近年來興起的去除有機(jī)廢氣的有效治理技術(shù)?其中,低溫等離子體技術(shù)具有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),譬如:處理效率高?反應(yīng)流程短?適用大多數(shù)污染氣體?適于處理低濃度大風(fēng)量的氣體等,但單獨(dú)使用該技術(shù)存在能耗較高?產(chǎn)物降解不完全以及難于控制臭氧的排放量等缺點(diǎn)?光催化技術(shù)由于其能耗較低?操作簡單?催化反應(yīng)完全等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用,但單獨(dú)使用也存在一些缺陷,如:紫外光源不穩(wěn)定?較難處理高濃度大風(fēng)量的氣體?催化劑易中毒失活等?針對(duì)這兩種技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn),人們開始考慮將兩者結(jié)合,形成互補(bǔ)?本研究將鐵電體材料和光催化材料共同應(yīng)用于等離子體放電場(chǎng)中,采用低溫等離子體-光催化聯(lián)合技術(shù)降解有機(jī)廢氣VOCs,并取得了較好的效果?第1章低溫等離子技術(shù)的概念1.1概述等離子體被稱為物質(zhì)的第4種形態(tài),由大量高能電子?離子?分子?中性原子?激發(fā)態(tài)原子?光子和自由基組成,其總正負(fù)電荷數(shù)相等,宏觀上保持電中性,但表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性?等離子體按離子溫度可以分為熱平衡等離子體和非平衡等離子體,熱平衡等離子體中離子溫度與電子溫度相等而非平衡等離子體中電子溫度高達(dá)10000~250000K,其他粒子溫度只有300~500K,整個(gè)系統(tǒng)溫度仍處于低溫狀態(tài),故稱為低溫等離子體(Non-ThermalPlasma)1.2電子束照射法電子束照射法(Electron-Beam,EB)用于大氣治理技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代?其降解VOCs的原理是:利用電子槍產(chǎn)生的高能電子束,照射待處理的VOCs氣體,高能電子與氣體中的氧氣和水分子等發(fā)生碰撞,并使之電離,形成低溫等離子體,產(chǎn)生的活性粒子與污染氣體進(jìn)行反應(yīng),從而達(dá)到將污染物分子氧化去除的目的?目前電子束照射法主要應(yīng)用于煙氣脫硫脫硝方面,并有較好的去除效果[38]?電子束法本身也存在一些缺點(diǎn),限制了其工業(yè)應(yīng)用?如:(1)產(chǎn)生的射線對(duì)人體健康有危害,工業(yè)應(yīng)用時(shí)需建混凝土防輻射工程;(2)產(chǎn)生的臭氧對(duì)裝置有腐蝕作用,且危害工作人員的健康;(3)能耗較大;(4)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,電子槍價(jià)格昂貴,電子槍及靶窗的壽命短?1.3電暈放電法電暈放電(Coronadischarge)是氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電?在曲率半徑很小的尖端電極附近,由于局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過氣體的電離場(chǎng)強(qiáng),使氣體發(fā)生電離和激勵(lì),因而出現(xiàn)電暈放電?發(fā)生電暈時(shí)在電極周圍可以看到光亮,并伴有咝咝聲?電暈放電可分為脈沖電暈放電?直流電暈放電和交流電暈放電三種?(1)脈沖電暈放電是通過脈沖高壓電源產(chǎn)生的脈沖,使遷移率高的電子受到脈沖場(chǎng)強(qiáng)的加速來獲得足夠的能量,從而和污染氣體分子發(fā)生一系列反應(yīng)使污染氣體被分解去除?其等離子體產(chǎn)生機(jī)理與電子照射束法基本一致,但脈沖電暈放電中產(chǎn)生的活性粒子較少,故整體效率較低?與電子束照射法相比,脈沖電暈放電法省掉了昂貴的電子加速器,避免了電子槍壽命短的問題,也無須輻射屏蔽,增強(qiáng)了技術(shù)的安全性和實(shí)用性?典型的脈沖放電等離子體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有線筒式和線板式兩種?Yamamoto等[39]采用內(nèi)徑為23.0mm,長度為57.0mm的線筒式反應(yīng)器,對(duì)甲苯和二氯甲烷廢氣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?結(jié)果表明,脈沖電壓為18kV,氣體停留時(shí)間為2.5s時(shí),可完全凈化初始濃度為50ppm的甲苯氣體;脈沖電壓為22kV,停留時(shí)間為7.9s時(shí),對(duì)濃度為500ppm的二氯甲烷氣體的去除率約為95%?(2)直流電暈放電是在直流高壓作用下,利用電極間電場(chǎng)分布不均勻性而產(chǎn)生電暈的一種放電形式,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于靜電除等方面,其對(duì)VOCs的去除機(jī)理與脈沖電暈法相似,為利用外加電源產(chǎn)生高能電子,與氣體分子相互碰撞產(chǎn)生大量的活性粒子從而氧化VOCs,使其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害物質(zhì)?Yamamoto等[40]分別利用多尖板—板式和三角形尖板式兩種方式對(duì)廢氣中的二甲基磷有機(jī)物(DMMP)進(jìn)行去除,實(shí)驗(yàn)表明,其降解效率僅有15%,分析認(rèn)為,這兩種反應(yīng)器中等離子體活性空間較小,電場(chǎng)泄露現(xiàn)象嚴(yán)重;但在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,采用三角形板式反應(yīng)器,對(duì)電場(chǎng)的泄露現(xiàn)象有所改善,DMMP的降解效率可達(dá)70%?采用直流電暈法存在以下缺點(diǎn):等離子體活性空間小,僅限于電暈極附近,且在略高的外加電壓下極易擊穿形成火花放電;另外,有機(jī)物的降解反應(yīng)需要較多的活性物種,因而要求反應(yīng)器有較大的活性空間?因此,直流電暈法不適合于有機(jī)廢氣的治理?(3)交流電暈放電是在交流高壓作用下,利用電極間電場(chǎng)分布不均勻性而產(chǎn)生電暈的一種放電形式?與脈沖電暈放電相比,交流電暈放電結(jié)構(gòu)比較簡單,便于實(shí)際應(yīng)用,并可有效的減少電暈屏蔽的發(fā)生和提高電場(chǎng)的利用效率?國內(nèi)外對(duì)于該方法去除VOCs的報(bào)道較少,所使用的電源均為工頻交流電源?梁文俊等[41]采用交流電暈放電法對(duì)苯和甲苯的去除進(jìn)行研究,得出苯和甲苯的最佳工藝條件;結(jié)果表明,以涂有鈦酸鋇的陶瓷環(huán)作為填充介質(zhì),電場(chǎng)強(qiáng)度11.4kV/cm?氣體流速17mm/s時(shí),苯和甲苯的去除率分別為92.6%和96.8%,李堅(jiān)等[42]進(jìn)行了苯的去除實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在線管式電暈反應(yīng)器中,以表面負(fù)載鈦酸鋇粉末的陶瓷環(huán)為填料,在電場(chǎng)強(qiáng)度10.8kV/cm?氣體流速5.7mm/s下,苯的去除率為89.4%?因此,交流電暈法比較適合于有機(jī)廢氣的治理?1.3介質(zhì)阻擋放電法介質(zhì)阻擋放電(DielectricBarrierDischarge,DBD)是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電,又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無聲放電?介質(zhì)阻擋放電可以在常壓或更高氣壓下工作,也可在較寬的頻率范圍內(nèi)(50Hz~1MHz)工作?這類電極的結(jié)構(gòu)多種多樣,在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體,并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋,也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中,當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時(shí),電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電,即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電?其中,電介質(zhì)在放電過程中起到儲(chǔ)能作用,使放電穩(wěn)定,并產(chǎn)生延時(shí)極短的脈沖,同時(shí)還能抑制火花放電的產(chǎn)生?在實(shí)際應(yīng)用中,管線式的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于各種反應(yīng)器中,而平板式電極結(jié)構(gòu)則被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性?接枝?表面張力的提高?清洗和親水改性中?圖1-9為介質(zhì)阻擋放電示意圖?目前介質(zhì)阻擋放電已被開發(fā)和廣泛的應(yīng)用,但對(duì)它的理論研究還只是近20年來的事,而且僅限于對(duì)微放電或?qū)φ麄€(gè)放電過程某個(gè)局部進(jìn)行較為詳盡的討論,并沒有一種能夠適用于各種情況DBD的理論?其原因在于各種DBD的工作條件大不相同,且放電過程中既有物理過程,又有化學(xué)過程,相互影響,從最終結(jié)果很難斷定中間發(fā)生的具體過程?第2章實(shí)驗(yàn)裝置就及方法實(shí)驗(yàn)中主要包括兩部分:第一部分利用小試反應(yīng)器進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn),運(yùn)行參數(shù);第二部分是在小試反應(yīng)器的賣驗(yàn)基礎(chǔ)j_,開發(fā)出中試反應(yīng)器確定裝置大致的,并進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)?2.1小試反應(yīng)器小試實(shí)驗(yàn)采用的介質(zhì)阻擋(介電介質(zhì))反應(yīng)器山南京蘇曼儀器公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)?圖二為介質(zhì)阻擋低溫等離子反應(yīng)器,外殼為全屬框架,起支撐和保護(hù)作用?里面的管線式反應(yīng)器為陶瓷質(zhì)地,外面圍一截金屬網(wǎng)t由金屬網(wǎng)連接離壓電?低溫等離一體反應(yīng)器部分為兩個(gè)陶瓷管,由裝滿石英砂的細(xì)陶瓷管,嵌在粗陶瓷管內(nèi)部,如圖2所示?管長25cm,粗管直徑2m,細(xì)管直徑1.5m,反應(yīng)段有效長度為15m?內(nèi)管填充的石英砂具有導(dǎo)電特性,通過金屬螺絲與外殼連接,接地:在粗陶瓷管外面包裹的金屬網(wǎng)通過導(dǎo)線與低溫等離子脈沖高壓電源連接?打開電源后二內(nèi)外管產(chǎn)生高的電壓差r形成介電介質(zhì)放電,從而形成有效的介電介質(zhì)低溫等離子反應(yīng)器?待處理的揮發(fā)性有機(jī)物甲苯,通入嵌有細(xì)管的粗管,在電場(chǎng)的作用下,與電離的空氣〔主要是氧氣)反應(yīng),氧化解離,從而達(dá)到去除有害氣體的目的?表1實(shí)驗(yàn)用介電介質(zhì)低溫等離子反應(yīng)器表2反應(yīng)器雷管結(jié)構(gòu)2.2中試反應(yīng)器中試裝置是在小試裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行的一定規(guī)模的放大?管長為60cm,內(nèi)管外徑12mm,內(nèi)徑8mm;外管內(nèi)徑24mm,其中的反應(yīng)段長度,既有效長度為40mm,在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上與小試裝置扣同,大大提高了處理緣,2.3電源低溫等離子體電源采用南京蘇曼儀器公司生產(chǎn)的}7}-20}0}型電源?它可以在大氣壓下?低氣壓下和各種氣氛環(huán)境中產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧放電?介質(zhì)阻擋放電?輝光放電?電源的效率可達(dá)卿%以上?并有輸入功率測(cè)量?高壓輸出電壓和電流槍測(cè)接口?可以配接各種氣體反應(yīng)器?氣液反應(yīng)器或氣固反應(yīng)器?2.3.1放電電壓測(cè)試電流波形?放電電壓波形檢測(cè)系統(tǒng)由電流探頭?電壓探頭和示波器組成?電壓經(jīng)電壓探頭縮小1000倍后輸入示波器?2.3.2電源的特性圖2是電壓電流的彼形圖,電壓的波形星正弦變化,最高放電電壓大約為30kv,從圖形中反映出來的多極點(diǎn)的脈沖電流是一種不連續(xù)的情形,這種脈沖電流揭示了非平衡態(tài)等離子體放電的基本原理,是一種斷斷續(xù)續(xù)的且間隙時(shí)間非常小的放電.只不過因?yàn)闀r(shí)間間隙很短,所以看起來是連續(xù)的,如上所述,我們用圖提供的參數(shù),用平均瞬時(shí)功率法計(jì)算出輸入功率,可以進(jìn)一步得到能量密度?2.4實(shí)驗(yàn)流程木實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)流程裝置上面圖示?該流程主要包括4部分;配氣裝置?高壓脈沖電源裝置?等離子體反應(yīng)器?尾氣處理部分‘實(shí)驗(yàn)在室溫條件進(jìn)行‘氣路分為兩部分,一是從高衛(wèi)〔氣瓶吹出的高純空氣經(jīng)過穩(wěn)壓閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)的調(diào)節(jié),進(jìn)入鼓泡瓶,鼓出甲苯蒸汽,二是從微型氣泵鼓入的r}氣,兩般氣體在混合罐混合均勻,混合氣體進(jìn)入低溫等離子反應(yīng)器反應(yīng)?在反應(yīng)器前后分別留有取樣硅膠管,用微量氣體注射針抽取氣體,注入氣相色譜儀的氣體進(jìn)樣口,進(jìn)行檢測(cè)?實(shí)驗(yàn)中使用低溫等離子電源,用于給低溫等離子反應(yīng)器提供電壓.通過調(diào)壓設(shè)備調(diào)節(jié)電壓,習(xí)每電壓?電流兩個(gè)接日接到數(shù)字示波器中,用于觀察反應(yīng)裝置的電特性?放電電壓波形?電流的波形檢測(cè)系統(tǒng)由電壓探頭?電流探頭和示波器組成口通過改變電特性等反應(yīng)參數(shù),進(jìn)行分析比較,從而得到能夠取得最大去除率的條件?2.5實(shí)驗(yàn)步驟和內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)通過改變電源特性,甲苯的氣體流量,甲苯氣體的初始濃度,來研究這些因素對(duì)甲苯去除效率的影響,并通過能量密度和能量效率的關(guān)系,得到最適合工業(yè)生產(chǎn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件,在去除效率和能最消耗方面,選取最合適的.工藝方法和工藝參數(shù),進(jìn)而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益?實(shí)驗(yàn)后期,經(jīng)過對(duì)介質(zhì)阻擋低溫等離子體反應(yīng)器的研究和學(xué)習(xí),自行設(shè)計(jì)和研制新的反應(yīng)器,將原有反應(yīng)器的規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)大,可以有效提高甲笨廢氣的處理量口通過實(shí)驗(yàn)研究和比較,獲得最佳工藝條件?具體實(shí)驗(yàn)步驟分實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備,條件實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和計(jì)算如下:實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:測(cè)定甲苯的色譜標(biāo)準(zhǔn)曲線,確定甲苯出峰的保留時(shí)間不同條件下實(shí)驗(yàn)分析:改變電壓?頻率,占空比,氣流流速,甲苯初始濃度和反應(yīng)器,測(cè)定不同條件的影響?結(jié)果分析,計(jì)算:由甲苯的出峰時(shí)間,前后峰面積大小比較,得出甲苯的去處效率,能量密度,能量效率數(shù)值?第3章實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1有效放電長度對(duì)甲苯降解的影響通過改變接地極長度(但匝間距不變)獲得不同的有效放電區(qū)域長度?固定催化劑填充長度60mm?施加電壓18kV?頻率250Hz?氣體流速21.0cm/s?有效放電區(qū)長度對(duì)甲苯降解率的影響如圖4-1所示?從圖4-1中看出,甲苯去除率隨著有效放電區(qū)長度的增長而增大?當(dāng)有效放電區(qū)長度為100mm時(shí),甲苯降解率為46%,而當(dāng)長度增加至220mm時(shí),甲苯降解率為61%,提高了15%?其原因在于,當(dāng)氣體流量一定時(shí),有效放電區(qū)長度的增加等于延長了氣體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間,能使甲苯分子與高能電子和活性基團(tuán)等等離子體活性物質(zhì)有更多碰撞的機(jī)會(huì),有利于其去除?但反應(yīng)器越長造價(jià)越高,因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)反應(yīng)器的長度?3.1有效放電長度對(duì)甲苯降解的影響3.2催化劑填充長度對(duì)甲苯降解的影響固定有效放電區(qū)長度180mm?施加電壓18kV?頻率250Hz?氣體流速21.0cm/s?催化劑填充長度對(duì)甲苯降解率的影響如圖3-2所示?圖3.2催化劑填充長度對(duì)甲苯降解率的影響由圖3-2可知,甲苯的去除率隨催化劑填充長度的增加而增大?當(dāng)催化劑填充長度為40mm時(shí),甲苯降解率為44%,而當(dāng)長度增加至100mm時(shí),甲苯降解率為68%,提高了24%?其原因在于,當(dāng)其他因素條件一定時(shí),添加催化劑可增強(qiáng)反應(yīng)器局部場(chǎng)強(qiáng),催化劑表面可產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì),其可與催化劑表面吸附的OH-和H2O發(fā)生反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化能力和氧化速率的·OH等活性氧物種?填充長度越長,產(chǎn)生的等離子體活性物質(zhì)越多,甲苯分子與·OH等活性氧物種碰撞的幾率越大,越有利于甲苯的去除?3.3氣體流速對(duì)甲苯降解率的影響固定有效放電區(qū)長度180mm?催化劑填充長度60mm?施加電壓18kV?頻率250Hz?氣體流速對(duì)甲苯降解率的影響如圖3-3所示?由圖3-3可知,甲苯的去除率隨氣體流速的升高呈下降趨勢(shì),當(dāng)氣體流速為12.6cm/s時(shí),甲苯降解率為73%,而當(dāng)氣體流速增加至25.2cm/s時(shí),甲苯降解率為52%,降低了21%?其原因在于,當(dāng)其他因素條件一定時(shí),單位時(shí)間內(nèi)在反應(yīng)器放電場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的等離子體活性物質(zhì)的量基本恒定,提高氣體流速,可使甲苯分子在反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間縮短,減小了其與高能電子和活性基團(tuán)碰撞的幾率,進(jìn)而導(dǎo)致甲苯分子被降解的幾率下降,即甲苯去除率隨氣體流速的升高而降低?3.4施加電壓對(duì)甲苯降解率的影響研究表明,電壓對(duì)空氣的電離程度具有決定性作用[86]?通過操作臺(tái)電壓調(diào)節(jié)按鈕調(diào)節(jié)電壓,固定有效放電區(qū)長度180mm?催化劑填充長度60mm?頻率250Hz?氣體流速21.0cm/s?電源電壓對(duì)甲苯降解率的影響如圖4-4所示?由圖4-4可知,甲苯的去除率隨施加電壓的升高而增大?當(dāng)施加電壓為12kV時(shí),甲苯降解率為12%,而當(dāng)施加電壓升至12kV時(shí),甲苯降解率為75%,提高了63%?其原因在于,當(dāng)其他因素條件一定時(shí),隨著施加電壓的升高,放電場(chǎng)中的場(chǎng)強(qiáng)逐漸升高,反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的高能電子和活性基團(tuán)的數(shù)量增加,繼而增加了高能電子轟擊甲苯分子及活性基團(tuán)氧化甲苯分子的幾率,提高了甲苯降解率?3.4施加電壓對(duì)甲苯降解率的影響然而,雖然去除率隨施加電壓升高而增大,但在實(shí)際使用中,電壓并不能無限制的任意增大,因?yàn)樵陔妷汉芨叩那闆r下容易發(fā)生局部場(chǎng)強(qiáng)過高,將阻擋介質(zhì)擊穿的現(xiàn)象,且一旦擊穿,無法形成等離子體?使用可調(diào)頻高壓電源?利用線管式低溫等離子體反應(yīng)器對(duì)最優(yōu)BaTiO3-TiO2/γ-Al2O3催化劑的甲苯降解進(jìn)行研究?以有效放電區(qū)長度?催化劑填充長度?頻率?施加電壓和氣體流速為考察因素,以甲苯去除率為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過正交實(shí)驗(yàn)確定各因素的主次關(guān)系,并通過單因素實(shí)驗(yàn)深入考察以上5個(gè)因素對(duì)甲苯降解效果的影響?目的在于得出低溫等離子體協(xié)同光催化技術(shù)降解甲苯過程中評(píng)價(jià)指標(biāo)與影響因素之間存在的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律,為進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新提供可靠實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)?通過本章的研究可得出以下結(jié)論:(1)在應(yīng)用低溫等離子體協(xié)同光催化技術(shù)降解甲苯的過程中,有效放電區(qū)長度?催化劑填充長度?頻率?施加電壓和氣體流速為主要影響因素,由正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知各因素對(duì)甲苯降解率影響的主次順序?yàn)?B(催化劑填充長度)?E(氣體流速)?D(施加電壓)?C(頻率)?A(有效放電區(qū)長度)?實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案為催化劑填充長度220mm,氣體流速12.6cm/s,施加電壓19kV,頻率350Hz,有效放電區(qū)長度100mm,即所選實(shí)驗(yàn)條件下的最優(yōu)甲苯降解工藝條件,此條件下甲苯去除率可達(dá)82%;(2)通過單因素實(shí)驗(yàn)可知,甲苯的去除效率隨著有效放電區(qū)長度?催化劑填充長度?施加電壓?頻率的增加而升高,而隨著氣體流速的增加而降低?第4章甲苯降解產(chǎn)物及反應(yīng)機(jī)理分析低溫等離子體協(xié)同光催化技術(shù)處理甲苯廢氣的反應(yīng)經(jīng)過一系列復(fù)雜的中間過程,最終產(chǎn)物應(yīng)為CO2和H2O,但在較低電場(chǎng)強(qiáng)度下,由于輸入反應(yīng)器能量不足以完成整個(gè)反應(yīng),故會(huì)檢測(cè)到一些中間產(chǎn)物的存在?本章重點(diǎn)對(duì)反應(yīng)過程中及反應(yīng)后的產(chǎn)物進(jìn)行研究分析,確定中間產(chǎn)物的類型,并由此探討了低溫等離子體協(xié)同光催化技術(shù)降解甲苯的反應(yīng)機(jī)理?其中,選用最優(yōu)BaTiO3-TiO2/γ-Al2O3催化劑,其填充長度為60mm(粉末裝填量為15g),氣體流量為0.5m3/h,進(jìn)口甲苯濃度為1000~1200mg/m3?4.1反應(yīng)產(chǎn)物分析采用氣相色譜法對(duì)污染物濃度進(jìn)行測(cè)定,20kV時(shí)進(jìn)出口氣體色譜峰如圖5-1所示?由圖可知,出口氣體中除甲苯色譜峰(保留時(shí)間t=1.44min)外未發(fā)現(xiàn)其它色譜峰,即無任何有機(jī)中間產(chǎn)物生成?考慮到可能有些物質(zhì)的保留時(shí)間較長,故將色譜分析時(shí)間延長至1h,結(jié)果仍未有其它色譜峰?但這也不能說明產(chǎn)物中除一定量甲苯之外沒有其它物質(zhì)的存在,可能是由于有些物質(zhì)此檢測(cè)方法不適用;其他物質(zhì)生成量較少,儀器未能檢出;也可能是部分物質(zhì)附著于反應(yīng)器及催化劑表面所致?4.2使用美國ThermoFisher分析Trace-DSQ單四極桿型氣-質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的種類進(jìn)行分析,根據(jù)總離子流圖中不同的出峰時(shí)間,可由NIST2000譜庫檢索分析產(chǎn)物類型?其中色譜峰的豐度與離子流的碎片強(qiáng)度有關(guān),相對(duì)豐度越大,則該有機(jī)物的含量越多?質(zhì)譜檢測(cè)條件為:質(zhì)譜檢測(cè)器(EI)100eV,檢測(cè)碎片范圍為33-450amu,接口溫度為250℃,離子源溫度為230℃,載氣為氦氣(>99.999%)?圖5-2為低溫等離子體協(xié)同光催化技術(shù)降解甲苯的GC-MS產(chǎn)物分析?由圖5-2(a)所知,在低電場(chǎng)強(qiáng)度下,產(chǎn)物中含有微量的烯烴類?醇類?酸類和酯類有機(jī)物,如三十五烷烯烴?七甘醇和3-甲氧基乙酸十二烷酯?而由圖5-2(b)則可知,在高電場(chǎng)強(qiáng)度下,產(chǎn)物中烯烴類和醇類基本消失,而酸類和酯類有機(jī)物的含量則有些升高?由此可見,低溫等離子體協(xié)同光催化技術(shù)可有效抑制二次污染的產(chǎn)生;場(chǎng)強(qiáng)越高,反應(yīng)產(chǎn)物中烯烴類?醇類減少,說明雙鍵被打斷,生成了一些比較簡單的物質(zhì);而酸類和酯類有機(jī)物的含量的升高,可能是因?yàn)榇呋瘎┲苽溥^程中使用了環(huán)氧樹脂,其在高電場(chǎng)強(qiáng)度下也被分解,也生成了一些酸類和酯類的有機(jī)副產(chǎn)物?使用傅里葉紅外吸收光譜進(jìn)一步分析甲苯降解產(chǎn)物,通過官能團(tuán)的類型判斷反應(yīng)器尾氣中的主要成分?圖5-3為低溫等離子體協(xié)同光催化技術(shù)降解甲苯的FT-IR產(chǎn)物分析;其中a代表進(jìn)口氣體的FT-IR譜圖,b代表17kV時(shí)出口甲苯降解產(chǎn)物的FT-IR譜圖?分析圖5-3可知,進(jìn)口與出口氣體成分差別不大?b圖中,3153cm-1對(duì)應(yīng)的是O-H伸縮振動(dòng)的特征吸收峰,且在3300~3100cm-1處寬化,是典型的水峰,表明反應(yīng)過程中有水生成;1699cm-1?1648cm-1和1516cm-1出現(xiàn)了C=C的伸縮振動(dòng),3038cm-1出現(xiàn)了C-H的伸縮振動(dòng),此為苯環(huán)的特征峰,且較進(jìn)口有所減弱,說明產(chǎn)物中可能存在著帶有苯環(huán)的衍生物;2937cm-1和2885cm-1為甲基的C-H伸縮振動(dòng)峰,且較進(jìn)口也有所減弱;2361cm-1?727cm-1?683cm-1為CO2的特征吸收峰,且較進(jìn)口有所增強(qiáng);另外,1080cm-1和1036cm-1處的吸收峰則說明產(chǎn)物中還存在O3?通過分析可知,尾氣中的主要成分除了CO2和H2O外,產(chǎn)物中還有一定量的O3及帶有苯環(huán)的衍生物等,這與GC-MS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同?結(jié)論甲苯是典型的揮發(fā)性有機(jī)物。傳統(tǒng)方法對(duì)處理甲苯廢氣存在較人缺陷，難以達(dá)到現(xiàn)行環(huán)境排放的標(biāo)準(zhǔn)要求。而低溫等離子體法因其具有范田J”、效率高、處理流程短、能耗低，特別是對(duì)低濃度廢氣的去除有獨(dú)特作用等諸多優(yōu)點(diǎn).因此引起了國內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注和研究。其中介電介質(zhì)阻擋法效果明顯，故木實(shí)驗(yàn)采用該法處理甲苯氣體，研究電壓、頻率、占空比、氣體流速和氣體初始濃度對(duì)去除率的影響，分別進(jìn)行小試和中試實(shí)驗(yàn)。研究不同工況下，對(duì)甲苯去除效率和能雖效率的影響，得到以下結(jié)論:在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)下一步的研究工作進(jìn)行展望，且鑒于實(shí)驗(yàn)條件與檢測(cè)手段，此課題還有以下六個(gè)方面值得深入研究：（1）進(jìn)一步改善低溫等離子體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式，研究其VOCs去除效果；（2）鑒于環(huán)氧樹脂在放電過程中也會(huì)分解，可以將此催化劑焙燒處理一下，再進(jìn)行對(duì)比；（3）進(jìn)一步改進(jìn)催化劑的填充形式?？蓪⒋呋瘎┌从行蚺帕羞M(jìn)行填充，測(cè)試反應(yīng)器的壓力損失和甲苯的降解效果；（4）對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定量研究；（5）如何確定反應(yīng)過程中的紫外光強(qiáng)度、如何調(diào)節(jié)紫外光強(qiáng)度以加強(qiáng)光催化劑TiO2的催化活性也有待研究；（6）放電過程中伴隨著介質(zhì)極化損耗，導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)間溫度的升高，如何有效利用此熱量損失還有待開展研究。(1}采用介質(zhì)阻擋低溫等離子體反應(yīng)器可以有效去除甲苯廢氣，在電壓I}}}C}}甲苯初始濃度為l}}i}n}f襯且氣體流速i種時(shí)，甲苯的去除率可達(dá)到}0}}o。隨著脈沖電壓和占空比的升高，甲苯的去除效率隨著增加。當(dāng)脈沖電壓和占空比較低時(shí)，甲苯的去除效率上升較快。當(dāng)電壓和占空比升到一定數(shù)值后，甲苯的去除效率開始緩慢上升。隨著頻率的增加。甲苯的去除效率也隨之增加。