介質(zhì)阻擋放電等離子體處理苯乙烯廢氣的研究.pdf

1、近年來，隨著化學(xué)工業(yè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的揮發(fā)性有機(jī)污染物(volatile organic compounds,VOCs）被釋放到大氣中。這些VOCs通常具有強(qiáng)烈的刺激性氣味和三致（致畸、致癌、致突變）特性，其排放不僅嚴(yán)重威脅著人類的健康，同時還會與大氣中的NOx、SOx及無機(jī)顆粒物互相碰撞結(jié)合，形成光化學(xué)煙霧和霧霾。介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）等離子體技術(shù)可以通過高壓放電產(chǎn)生大量

2、的高能電子和活性基團(tuán)，對氣體污染物進(jìn)行氧化與分解，被認(rèn)為是一種有效的處理 VOCs的方法。然而傳統(tǒng)的DBD技術(shù)很難對VOCs實(shí)現(xiàn)徹底礦化，在處理過程中會產(chǎn)生潛在的有害副產(chǎn)物。同時，隨著處理時間和處理濃度的增加，油狀副產(chǎn)物和積碳會形成并覆蓋在電極與反應(yīng)器壁上，影響其處理效果。將DBD技術(shù)與催化技術(shù)相結(jié)合，不但可以提高污染物的降解效率，也可以在一定程度上抑制副產(chǎn)物的生成，近些年來這種聯(lián)合處理技術(shù)越來越受到研究者的關(guān)注。除此以外，通過對DBD

3、反應(yīng)器的改良設(shè)計(jì)，也可以使反應(yīng)器內(nèi)部的能量得到更加充分的利用，從而提高污染物的礦化效率。
　　本論文從 DBD與催化劑相結(jié)合以及新型的DBD反應(yīng)器設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行了深入研究，具體研究工作如下：
　　（1）自制了傳統(tǒng)式的線-管式DBD反應(yīng)器，考察了電壓與流速對VOCs代表物--苯乙烯去除效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)電壓為10.8 kV時，傳統(tǒng)的線-管式DBD反應(yīng)器對1000 mg/m3苯乙烯去除率可達(dá)到100％。然而，對其生成的

4、CO與CO2濃度進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，其礦化率卻低于25%。產(chǎn)生了大量的氣態(tài)副產(chǎn)物包括O3和NOx以及其他中間產(chǎn)物，同時還會生成大量的油狀副產(chǎn)物富集在電極、反應(yīng)器壁和出口處。通過對油狀及氣態(tài)副產(chǎn)物的成分分析以及NOx和O3濃度的檢測，分析了傳統(tǒng)的線-管式DBD反應(yīng)器降解苯乙烯的機(jī)理，為其進(jìn)一步改進(jìn)提供了理論支持。
　?。?）將DBD技術(shù)與催化技術(shù)相結(jié)合，通過溶膠-凝膠法分別在管壁和電極上涂覆了銳鈦礦型 TiO2作為催化劑，構(gòu)成了負(fù)載型 T

5、iO2-DBD反應(yīng)器并與傳統(tǒng)線-管式DBD反應(yīng)器進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：管壁涂覆TiO2的DBD反應(yīng)器對苯乙烯的去除率與礦化效率要明顯高于電極涂覆 TiO2和傳統(tǒng)的線-管式 DBD反應(yīng)器，同時副產(chǎn)物的種類和數(shù)量也大幅度地降低。與此同時，作為一種高效的光催化劑TiO2還可以被DBD過程中產(chǎn)生的高能電子和紫外光所激發(fā)，通過光催化作用降解苯乙烯。
　?。?）為進(jìn)一步提高TiO2催化性能，通過溶膠-凝膠法將TiO2負(fù)載于γ-Al2O3小球上

6、，并將其填充進(jìn)DBD反應(yīng)器中，構(gòu)成填充床式TiO2-DBD反應(yīng)器。與TiO2 P25涂覆的γ-Al2O3相比，溶膠-凝膠法可以通過改變低溫涂覆次數(shù)，控制 TiO2的負(fù)載量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著 TiO2負(fù)載量的提高，其催化劑表面的油狀副產(chǎn)物及積碳的富集會得到有效地抑制。而采用P25方法涂覆的γ-Al2O3其表面會富集大量的油狀副產(chǎn)物和積碳，嚴(yán)重影響其處理效果。對 TiO2涂覆次數(shù)、電壓與O2濃度分別進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)電壓為12.5 kV、O2

7、濃度為100%、涂覆8次后的TiO2填料對苯乙烯的礦化率可達(dá)到100%。
　　（4）選取了四種催化劑，分別負(fù)載于γ-Al2O3小球上，分別對其單獨(dú)催化降解苯乙烯的性能進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)相比于其他三種催化劑，TiO2具有更強(qiáng)的礦化性能；NiO在停留時間較短的情況下，可以優(yōu)先將支鏈中鍵能較低的化學(xué)全部破壞，同時使鍵能較高的化學(xué)鍵被弱壞；而空白γ-Al2O3可以有效的抑制 NOx和O3的生成?；诖搜芯拷Y(jié)果，自行設(shè)計(jì)了具有不同功能區(qū)的多段式

8、填充床介質(zhì)阻擋放電（Multiple functional packed bed Dielectric Barrier Discharge，MPDBD）反應(yīng)器。反應(yīng)器共分三個區(qū)域，第一個區(qū)域采用NiO負(fù)載的γ-Al2O3小球作為填料，該區(qū)域氧化能力較低，可以優(yōu)先破壞苯乙烯分子中的低能鍵。第二個區(qū)域采用TiO2負(fù)載的γ-Al2O3小球作為填料，該區(qū)域氧化能力極高，可以對剩余苯乙烯分子中的高能基團(tuán)進(jìn)行集中破壞。而第三個區(qū)域采用空白γ-Al2

9、O3小球作為填料，在進(jìn)一步礦化剩余污染物的同時最大程度抑制NOx和O3的生成。當(dāng)NiO-TiO2-Al2O3區(qū)域長度分別為2cm，4cm和2cm時，處理3000 mg/m3苯乙烯，其礦化率與單段式（8cm）TiO2填充床DBD反應(yīng)器相比提高了10%，但其中CO2選擇性卻提高了一倍，同時O3與NOx的生成量都有明顯的降低。
　　（5）在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，設(shè)計(jì)了新型的雙管式介質(zhì)阻擋放電（double-tube dielectric

10、barrier discharge，DDBD）反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括內(nèi)、外兩層放電區(qū)域，其中內(nèi)管具有較高的放電能量，而外管的放電能量較低。苯乙烯首先通過外管，在低能電子的作用下首先破壞苯乙烯的低能鍵，如乙烯鍵等，再通過內(nèi)管，在高能電子的作用下對高能基團(tuán)，如苯環(huán)等，進(jìn)行集中破壞。新型的DDBD反應(yīng)器不僅提高了能量利用效率和礦化率，同時還減少了油狀副產(chǎn)物的生成與富集，而內(nèi)管的存在還進(jìn)一步的保護(hù)了反應(yīng)器防止其被擊穿。對內(nèi)管與外管的管徑進(jìn)行了優(yōu)化