等離子體與光催化協同凈化NO的性能

陳 萌，杜丹豐，郭秀榮

(東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江哈爾濱 150040)

汽車尾氣中的氮氧化物(NOx)是空氣中的N2在高溫燃燒下的產物，包括NO，NO2和 N2O.其中NO是最主要的直接產物，在大氣中易轉變?yōu)镹O2，且NO2屬有毒氣體，刺激呼吸系統，對血液輸氧能力的障礙遠高于CO，同時也是酸雨和光化學煙霧的主要成因［1］.為此，國家采取了一系列措施努力減少NO總量的排放，其中包括排放標準的升級(如國IV排放標準GB 18352.2—2005要求整體NOx的排放≤0.08 g·km-1［2］)和阻止 NO 生成的控制方法.在眾多方法中，等離子體技術被認為是一項具有廣闊應用前景的凈化技術［3］.等離子體的凈化原理是通過在外加電場下生成自由電子，并使自由電子與中性氣體分子碰撞釋放能量來達到凈化污染物.通常情況下，電子可以與環(huán)境中的N2，O2，H2O等多種氣體進行多次碰撞并通過電子轟擊解離反應和離子化反應產生活性自由基(N，O，OH，O3，HO2等)，并通過這些活性自由基與NO發(fā)生分解反應，從而達到凈化污染物的目的.

盡管等離子體技術可以取得良好的NO凈化效果，但其中的很多技術問題仍有待深入研究，如較高的能量消耗問題就是其中之一.而聯合使用等離子體和光催化技術則被認為是氣體環(huán)境污染物(如正庚烷)處理過程中解決這類問題的有效途徑［4］.在聯合應用過程中，TiO2，ZnO，V2O5，SnO2，WO3，CdS和ZnS等多種催化劑均進行過測試.其中，TiO2被認為是最高效的光催化劑.在此基礎上，人們進行了一系列的試驗研究.Y.S.Mok等［5］研究了在等離子體反應器中使用V2O5/TiO2單晶催化劑時的NO凈化效果，研究發(fā)現聯合使用等離子體和選擇性催化還原技術，可以有效提高低溫下NO的凈化效率.李晶欣等［6］采用低溫等離子體聯合光催化技術降解甲苯，并從電壓、電源頻率、甲苯氣體流量、初始濃度和Mn2+摻雜量等方面考察了其對甲苯降解率的影響.梁文俊等［7］也以甲苯為研究對象，采用低溫等離子體和光催化聯合技術，比較了3種催化劑(TiO2，BaTiO3，TiO2+BaTiO3)對甲苯降解性能的異同.

因此，針對等離子體和光催化技術聯合應用的巨大優(yōu)勢，筆者擬利用等離子體與TiO2協同技術凈化機動車排放污染物(以NO為例).同時，針對機動車排放污染物的高溫度、高濕度的特點，重點研究溫度、濕度等因素對污染物凈化過程的影響，以便為后續(xù)的車載實用化提供理論基礎.

1 試驗

1.1 試驗系統

為了進行等離子體-TiO2協同應用下的NO凈化性能的檢測，設計構建連續(xù)流動凈化試驗系統.該試驗系統主要包括污染氣體動態(tài)配制與環(huán)境條件控制裝置、凈化反應器和氣體分析測試3部分.污染氣體動態(tài)配制與環(huán)境條件控制裝置由NO氣路、N2氣路和加濕空氣氣路組成(氬氣).NO氣路、N2氣路分別提供NO氣體和N2氣體;加濕空氣氣路為溫、濕度調節(jié)氣路，包括2個方面的氣路調節(jié):① 凈化反應器內部環(huán)境的溫、濕度調節(jié)，即在只打開加濕氣路的條件下，使加濕氣體(氬氣)經過濕度調節(jié)瓶或加熱器(油浴鍋)來調控凈化反應器內部環(huán)境的溫度、濕度，其溫度、濕度數值由凈化反應器溫度、濕度表讀出;②在開通加濕氣路(氬氣)的條件下，使加濕氣體(氬氣)經過濕度調節(jié)瓶或加熱器(油浴鍋)，再與NO氣路或N2氣路的氣體在混氣瓶中混合，從而調節(jié)NO氣路或N2氣路的溫度、濕度.凈化試驗系統如圖1所示.

圖1 凈化試驗系統圖

凈化反應器采用耐熱玻璃(pyrex)材質制備，并配置紫外光源(功率為1 mW·cm-2的黑光燈照射)和濕度、溫度傳感器.為模擬汽車污染物排放，整個反應器分為3部分:進氣口、凈化區(qū)域和排氣口.進氣口部分為有效調節(jié)氣體流速，特設計成圓柱體，其長度為10 cm，半徑為5 cm.凈化區(qū)域由2部分組成，結構形狀整體為長方體(80 cm×60 cm×40 cm).其中一部分是由電極線-平板電極構成的電暈放電等離子體系統.高壓直流電源的正、負極分別與陽極電極線和陰極平板網狀電極連接.另一部分為等離子體和TiO2協同凈化NO部分，采用浸漬提拉法將TiO2負載到一個不銹鋼網狀結構上.出氣口部分為降低湍流，保證反應器的氣體排放速度，特設計成圓柱體，其長度為10 cm，半徑為5 cm.反應器整體系統結構如圖2所示.

圖2 反應器示意圖

氣體分析測試部分，采用KC-6D型大氣采樣器進行現場采樣，并通過與顯色劑N-1-萘基乙二胺二鹽酸鹽反應，由紫外可見分光光度計測得NO質量濃度.

1.2 試驗條件和步驟

為保證試驗的準確性，試驗的初始條件為NO氣體質量濃度為1 mg·m-3，風扇轉速為2 500 r·min-1.

1)電壓影響測試，外加電壓是決定等離子體-TiO2協同凈化NO效果的最重要影響因素.在本研究中，外加電壓為6～40 kV，并用高壓電路中的電壓控制器控制實際應用電壓值，初始反應濕度為20%，溫度為60℃.

2)濕度影響測試，吸附在TiO2表面的水分子是在光化學催化反應中產生含氧化合物的重要物質［8］.同時，由于水分子的高電離性，會在高壓放電電極間產生羥基自由基和氫離子.因此，水分子成為了等離子體與光催化協同應用的重要介質.首先將反應器中的濕度控制在一定數值內.其次，通過合理調節(jié)濕度值，檢測濕度對凈化NO效果的影響.試驗濕度為4% ～70%，初始反應電壓為12 kV，溫度為60℃.

3)溫度影響測試，相關研究表明以TiO2作為催化劑的NO凈化反應受到溫度的影響.一般情況下，溫度變化會影響到NO在TiO2表面的吸附親和力，進而影響凈化反應的速率.同時，一些試驗也表明溫度對等離子體凈化有害氣體時也具有明顯的影響.故在本研究中，為分析溫度對協同凈化效果的影響，擬選取汽車排氣管尾部位置進行相關試驗，試驗溫度范圍為30～200℃，初始反應電壓為12 kV，濕度為20%.

1.3 試驗效果表征指標

為了測試凈化效果，以凈化率η為參數進行評價:

式中:cin為起始入口濃度，mol·m-3;cout為反應器中氣體穩(wěn)定后，出口氣體濃度，mol·m-3.

2 結果與討論

2.1 不同電壓下NO凈化效率的比較

外加電壓對NO凈化效率的影響如圖3所示.

圖3 電壓對反應器出口處NO和NO2質量濃度的影響

在僅有等離子體的過程中，整個系統無法在低于6 kV的外加電壓下運作.這個電壓被稱為擊穿電壓.同時，隨著外加電壓的提高，可以檢測到NO質量濃度會快速下降以及NO2質量濃度的緩慢上升.這是由于氮氣、氧氣等氣體，在電子碰撞電離過程中，產生如N，O原子、O3等活性物質的結果，其相關機理為

此外，在試驗中還可能存在電極中傳遞的電荷會隨著電壓的提升而增加的可能.這也導致了電子平均能量和總電子數的提升，并最終增加了可以與NO反應的活性物質的數量，保證了凈化NO的效率.其反應的機理為

另外，氧氣的鍵能為5.17 eV，低于氮氣的鍵能9.18 eV.在電壓較低的情況下，更多的氧氣分子會優(yōu)先于氮氣分子被激發(fā)，導致O3和NO2質量濃度緩慢提高.當電壓逐漸提高時，氮氣分子則會更多被激發(fā).這使反應(5)成為整個反應過程中最主要的反應.圖3中的結果也表明當電壓升高時NO2的相對質量濃度變化并不十分明顯.

在TiO2和等離子體的協同作用下，提高電壓所獲得的NO凈化率比單一使用等離子體更為明顯.同時，NO2的生成也會有所減少.在試驗中，氣體分子的發(fā)射光譜主要集中在290～390 nm波段［9］，其中最主要的部分是氮氣的發(fā)射光譜.這表明放電可能伴隨著紫外射線的產生.所以等離子體產生的紫外射線可以活化TiO2催化劑并提高光催化反應的速率.另一方面，處于等離子體中的TiO2可能由于晶格中產生氧空穴而改變催化性質.在光催化過程中，氧的活化在污染物降解中起著重要的作用.這意味著激發(fā)到氧空穴中的電子以及價鍵中的空穴會和氧氣及含氧物質(O-或原子氧)反應.這也驗證了文獻［10］中的相關觀點.

總之，在NO的凈化過程中，等離子體和TiO2的協同本質上導致了2階段凈化反應的發(fā)生.在初始階段，NO被放電產生的活性物質快速地氧化為NO2.接下來，反應僅能在 NO2被 TiO2光氧化為HNO3的情況下繼續(xù)進行.HNO3可能會在TiO2表面形成一層薄膜，從而降低凈化反應的效率.在這一過程中，一部分HNO3必然被氧化為NO3，進而形成NO2.但是這一轉化比例非常低.這也是反應容器中會有少量NO2殘留的主要原因.其可能的反應步驟如下［11］:

式中 h+為光子.

式中s=1，2，3，….

2.2 濕度對NO凈化效率的影響

濕度可以顯著影響NO的凈化效率.在僅有等離子體，僅有TiO2以及等離子體和TiO2協同作用下濕度對NO凈化效果的影響如圖4所示.

圖4 濕度對NO去除效率的影響

在僅有TiO2存在的情況下，羥基自由基是NO凈化里最重要的氧化物質之一.主要的相關反應為

文獻［10］研究結果表明過多水分子會與TiO2表面形成膜結構進而阻礙TiO2與羥基自由基的反應.

對于僅有等離子體存在的NO凈化過程，粒子間的非彈性碰撞作用是消除污染的主要機理.在電場的作用下，高能電子和氮氣及氧氣碰撞，產生一系列氧化自由基，如原子氧和臭氧.在適當的氣相反應條件下，這些自由基有可能高效地凈化NO.高能電子的數量是這一過程的決定因素，它取決于電子密度和電子的平均能量.不過，水分子更容易在電子撞擊下生成H+和OH·，從而導致可用高能電子密度的下降.原子氧的生成數目會隨著可用高能電子數的減少而降低.同時，過量的水蒸汽會在電極表面形成一層薄膜，提高高能電子的遷移阻力，導致氧化自由基的減少.綜上所述，濕度的提高會導致等離子體中NO凈化效率的降低.

同時從圖4可以看出等離子體和TiO2協同作用下的NO凈化率表現為先增后減的趨勢.一個可能的原因是等離子體放電產生的紫外光線可以啟動光催化過程，激發(fā)TiO2對NO的氧化.同時，由等離子體放電產生的一系列氧化自由基對于凈化NO有更好的效果.隨著水分子含量的增加，采用等離子體和TiO2協同凈化的NO凈化效率有所下降.其主要原因是等離子體放電影響TiO2表面吸附物種的組成.由先前的討論可知NO數目在等離子體放電條件下的降低取決于一系列氧化自由基，包括原子氧及臭氧.文獻［12］研究表明在潮濕環(huán)境下，臭氧很可能會在受紫外輻射的TiO2表面分解.相關試驗也表明臭氧濃度直接與原子氧的密度相關.另一方面，潮濕環(huán)境下更多的水分子可能會和原子氧反應，產生OH.羥基自由基會被化學吸附到TiO2表面并形成薄膜結構，阻礙NO分子接近催化劑表面并最終導致凈化效率的降低.

2.3 溫度對NO凈化效率的影響

溫度對NO凈化的影響如圖5所示.單獨使用等離子體而不加任何催化劑是同一溫度下效率最低的NO凈化方法.在等離子體凈化中，電子轟擊扮演著最重要的角色.電子誘發(fā)的過程不會顯示出顯著的溫度依賴性.這是由于等離子體中的電子早已具有了足夠的能量而不再需要額外的加熱.這就是為何觀察不到NO分解的溫度依賴性的原因.

圖5 溫度對NO凈化效率的影響

TiO2的單獨凈化過程比單獨使用等離子體的方法效率更高，也對溫度變化更敏感，這是由于NO和水分子的不同吸附能力造成的.總的來說，吸附能力隨著溫度提高而降低，即:

式中:q為單位TiO2表面吸附的氣體分子數;p為氣體壓力，Pa;M為氣體的分子量;T為氣體的溫度，K;t0為氣體的保留時間，s;H為氣體的吸附熱;R為氣體常數.

溫度較高時，水分子由于具有更高吸附能力，相比NO，當溫度逐漸降低時，水分子吸附能力下降更多.同時，水的解吸附也為NO提供了更多可供吸附的氧化位點.這樣，污染物凈化效率也會相應提高.

等離子體與TiO2協同使用表現出明顯不同于單獨使用等離子體或光催化劑對溫度的依賴性.這主要是由于不同的凈化機制所導致.初始階段，NO凈化的主要步驟僅僅包含電子轟擊(特別是解離電子附著).然而在等離子體中，電子轟擊和電子附著本質上是不依賴于溫度的.這解釋了為什么在初始階段NO的凈化過程沒有表現出溫度依賴性.而在下一階段，NO的催化凈化應該是由氣相自由基化學反應的速率控制.氣相自由基化學總體上具有較高的溫度依賴性.這也許是由于表面吸附和解吸附的原因所致.總之，以上這些因素綜合導致了凈化效率的提升.

3 結論

1)在供電電壓、環(huán)境濕度和溫度相同的條件下，等離子體-TiO2協同作用凈化NO效果均優(yōu)于單獨使用等離子體、光催化技術.

2)在環(huán)境濕度、溫度相同的條件下，隨著電壓的升高，等離子體-TiO2協同作用凈化NO效率會逐漸升高，其主要原因在于等離子體的放電伴隨著紫外射線的產生，從而進一步激發(fā)了TiO2催化劑的活性.

3)在供電電壓、環(huán)境溫度相同的條件下，較高的濕度會降低等離子體-TiO2協同凈化NO的效果，其主要原因在于較高的水分子的吸附，導致了光催化材料(TiO2)可利用的電子空穴對的減少.

4)在供電電壓、環(huán)境濕度相同的條件下，等離子體-TiO2協同凈化NO效果會較少依賴溫度，其主要原因在于電子轟擊和電子附著不受溫度影響，而對溫度的依賴主要為TiO2光催化劑的化學吸附所致.

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