一種用于工業(yè)廢氣處理的氣體消毒管的設(shè)計(jì)

江 超，朱國(guó)良

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石，435002)

大量工業(yè)廢氣排入大氣，必然使大氣環(huán)境質(zhì)量下降，給人體健康帶來嚴(yán)重危害，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。目前對(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行處理的方法主要有:液體吸收法、活性炭吸附法、催化燃燒法和生物法，這些方法各自都存在一定的缺陷。近年來，出現(xiàn)了利用“等離子體”脫除有機(jī)廢氣的方法，它的基本原理是通過高壓輝光放電，獲得常溫常壓等離子體，等離子體中的高能電子和氧離子、氫氧根離子等活性粒子與有機(jī)物進(jìn)行氧化、降解反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害物。等離子體催化降解有機(jī)物可在常溫常壓下進(jìn)行，真正實(shí)現(xiàn)了無害化工藝，廢氣凈化的最終產(chǎn)物為二氧化碳和水，無二次污染。具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于橡膠、印染、制藥、皮革及污水等行業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢氣、惡臭和異味的處理中。微空心陰極放電MHCD(micro－h(huán)ollow cathode discharge，MHCD)是一種穩(wěn)定的高氣壓輝光放電［1－2］，放電產(chǎn)生高氣壓非平衡等離子體，利用它產(chǎn)生大體積的高氣壓非平衡等離子體能夠?qū)τ卸镜挠袡C(jī)氣體進(jìn)行消毒，得到清潔干凈的氣體。

1 新型氣體消毒裝置的設(shè)計(jì)

利用微空心陰極放電結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)用于污染氣體消毒的石英玻璃管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 氣體消毒管的結(jié)構(gòu)示意圖

氣體消毒管采用“針－板”直流輝光放電，利用放電產(chǎn)生的大體積高氣壓等離子體進(jìn)行有毒氣體處理。“針－板”直流輝光放電由空心不銹鋼針陰極與平板陽極構(gòu)成，其中平板陽極由濺射很小的鉬片構(gòu)成，厚度5 mm?？招牟讳P鋼針的外徑為2 mm，內(nèi)徑為1 mm，針尖角為15°，針尖孔為200 μm。石英玻璃管上下面是平面，放電電極安裝在這兩個(gè)面上，石英玻璃管兩側(cè)面是曲面，石英玻璃管根據(jù)這種設(shè)計(jì)方式燒制而成。石英玻璃管內(nèi)部放置有平板電極和空心不銹鋼針電極，平板電極固定在石英玻璃管的上平面上，若干個(gè)空心不銹鋼針固定在石英玻璃管的下平面上，這些不銹鋼針排列成一排，每只不銹鋼針之間的間距為5 mm。平板電極與不銹鋼針電極之間的距離為20 mm，并使放電等離子體的中心與石英玻璃管的中心軸線相重合為宜，兩電極通過導(dǎo)線連接到高壓直流電源上。污染氣體經(jīng)過進(jìn)氣管、流量控制閥和進(jìn)氣導(dǎo)管，進(jìn)入石英玻璃管中，污染氣體在玻璃管中處理后，然后從排氣導(dǎo)管、排氣閥和排氣管排出。輔助氣體則從空心不銹鋼針進(jìn)入石英玻璃管中，然后也從排氣管一起排出。

有毒氣體的處理需要用到非平衡等離子體源，高氣壓輝光放電能夠產(chǎn)生典型的非平衡等離子體源。類比氣體激光器的“針—板”放電形式，設(shè)計(jì)了一種特殊的“針—板”放電結(jié)構(gòu)，它由空心不銹鋼針和金屬平板構(gòu)成，空心不銹鋼針為陰極，金屬平板為陽極，構(gòu)成典型的空心陰極放電。根據(jù)空心陰極放電的特性，當(dāng)陰極孔徑降到微米量級(jí)時(shí)，放電變?yōu)槲⒖招年帢O放電，放電氣壓能夠達(dá)到甚至超過大氣壓，此時(shí)放電為高氣壓輝光放電，產(chǎn)生的放電等離子體能夠滿足氣體消毒的要求。放電管由多個(gè)微空心陰極放電并聯(lián)運(yùn)行，產(chǎn)生cm3量級(jí)的輝光放電等離子體，電子密度能夠達(dá)到1014cm－3。在該裝置中，氣體流動(dòng)方向與放電方向垂直，為了避免輝光放電向火花放電轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定放電時(shí)氣體流速必須達(dá)到100～200 ms－1的高速或者限制放電電流的大小。如果限制放電電流會(huì)影響到等離子體中的電子能量密度分布影響消毒效果。為了避免把放電氣體(污染氣體)加速到如此高的流速，該裝置讓少量的輔助氣體通過空心針進(jìn)入石英玻璃管中參與放電，形成兩股垂直的放電氣流。采用這種形式后，主放電氣體的流速可以降低許多，簡(jiǎn)化了裝置的制造難度。該裝置在大氣壓下工作，密封容易。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

甲烷和苯是兩種非常穩(wěn)定的揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC(Volatile Organic Compounds，VOC)，這兩種氣體直接排放到空氣中將會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大的污染。我們必須在工業(yè)廢氣中設(shè)法降低這兩種氣體的含量，消除它們對(duì)環(huán)境的危害。利用氣體消毒管對(duì)氣體進(jìn)行消毒的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。在該實(shí)驗(yàn)中，我們利用圖2的裝置進(jìn)行了甲烷與苯混合氣體的放電實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了放電特性和消毒效果參數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。

圖2 氣體消毒管進(jìn)行氣體處理時(shí)氣體流動(dòng)與檢測(cè)示意圖

該裝置放電氣壓為700 Torr、氣體流速為8 ms－1時(shí)，圖3為測(cè)得的V－I特性曲線，V為放電的電壓，I為放電的總電流。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，V－I特性曲線的微分電阻系數(shù)為正，放電為反常輝光放電，最低維持電壓為500 V左右。因?yàn)殡妷骸娏黠@示正的斜坡特性，這意味著放電自身扮演一個(gè)電阻器的角色，它是一個(gè)自穩(wěn)過程，因此微放電相當(dāng)穩(wěn)定。

圖3 氣體消毒管放電時(shí)的伏安特性

在該裝置放電氣壓為700 Torr、氣體流速為8 ms－1時(shí)，圖4、圖5分別為測(cè)得的苯與甲烷的歸一化含量與放電電流的關(guān)系曲線(I為放電的總電流)。

圖4 苯的歸一化含量與放電電流的關(guān)系

圖5 甲烷的歸一化含量與放電電流的關(guān)系

當(dāng)空氣與甲烷苯等混合氣體通過放電管的放電區(qū)域時(shí)，苯和甲烷被放電等離子體氧化或被放電等離子體中的高能電子分解與電離成無毒的物質(zhì)。當(dāng)混合氣體通過氣體消毒管后，利用抽樣檢測(cè)裝置檢測(cè)氣體中苯和甲烷的濃度，發(fā)現(xiàn)苯和甲烷的濃度被極大地降低了，而且隨著放電電流的增加，混合氣體中苯和甲烷的濃度越來越低，最終苯的歸一化濃度只有修復(fù)前的10 左右，清除率達(dá)到90 ［甲烷的清除率也能夠達(dá)到70 左右，消毒效果相當(dāng)好。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的氣體消毒裝置具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、消毒效果好。它具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ艿搅巳藗兊年P(guān)注，隨著研究的不斷深入，該裝置將會(huì)成為一種被人們廣泛使用的工業(yè)有機(jī)廢氣消毒裝置。

［1］ Schoenbach K H，Verhappen R，Tessnow T，et al.Microhollow cathode discharges［J］.Appl.Phys.Lett.1996，68(1):13－15.

［2］ Schoenbach K H，EI－Habachi Ahmed，S Wenhui，et al..High－pressure hollow cathode discharges［J］.Plasma Sources Sci.Technol.1997(6):468–477.