強(qiáng)電離放電羥基自由基降解有機(jī)廢氣VOCs實(shí)驗(yàn)研究

朱穎+依成武+劉莎莎+王慧娟+李玨

摘 要 低溫等離子體法（NTP）被認(rèn)為是目前降解揮發(fā)性有機(jī)氣體（VOCs）很有前途的方法。本文以乙酸乙酯、異丙醇為目標(biāo)污染物，采用強(qiáng)電離放電低溫等離子體技術(shù)，分析了電壓、頻率以及氣體初始濃度等對(duì)有機(jī)氣體的降解效率影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電壓在4.5kV、頻率為5.71kHz時(shí)，初始濃度為1500mg/m3的乙酸乙酯降解率可達(dá)85%，初始濃度為2400mg/m3的異丙醇降解率可達(dá)87%，從而表明強(qiáng)電離放電產(chǎn)生高濃度OH·可有效無害化降解VOCs。

關(guān)鍵詞 低溫等離子體 VOCs 強(qiáng)電離放電 羥基自由基 降解

中圖分類號(hào)：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

世界衛(wèi)生組織（WHO）對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的定義為：熔點(diǎn)低于室溫、沸點(diǎn)小于260℃，常溫下飽和蒸氣壓大于70.91Pa、并以氣態(tài)形式存在于空氣中的一類化合物的總稱。VOCs具有種類多、分布廣、毒性大、濃度低等特點(diǎn)。目前已鑒定出的有300 多種，最常見的有苯、乙酸乙酯、丙二醇、甲苯、甲醛等。

隨著工業(yè)發(fā)展和人們生活水平提高，石油化工、污水及垃圾處理、油漆噴涂等行業(yè)及生活中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣都是VOCs的主要來源，且排放量日益增加。因此，近年來有機(jī)廢氣的治理技術(shù)得到了大量的研究，在傳統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，深入研究低溫等離子體法等新興技術(shù)。本文簡(jiǎn)單總結(jié)了已有的VOCs治理技術(shù)，以異丙醇、乙酸乙酯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析強(qiáng)電離放電實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果，并對(duì)VOCs治理技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1傳統(tǒng)技術(shù)

常見的VOCs處理技術(shù)可以分為回收類技術(shù)和銷毀類技術(shù)兩大類。回收類技術(shù)主要有吸附法、吸收法、生物膜分離法以及冷凝法；銷毀技術(shù)主要包括燃燒法、生物處理法和低溫等離子體法。

吸附技術(shù)是利用具有大比表面積的多孔狀結(jié)構(gòu)吸附劑對(duì)污染物進(jìn)行吸附，利用固體表面的分子吸收力與化學(xué)鍵力將污染物濃縮吸附在固體表面上，達(dá)到氣相分離的效果。燃燒法是利用部分污染物在一定溫度條件下易燃的特性，燃燒后使VOCs分解成CO2、H2O、HCl等無機(jī)物。生物處理技術(shù)是在VOCs作為碳源的條件下，利用微生物的新陳代謝過程將有機(jī)物降解轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無機(jī)物CO2、H2O及細(xì)胞物質(zhì)等。冷凝法是利用VOCs在不同溫度和壓力下具有不同的飽和蒸氣壓，通過降低溫度和增加壓力，使處于蒸氣狀態(tài)的污染物凝結(jié)出來。

20世紀(jì)90年代后，光催化技術(shù)成為一項(xiàng)熱門研究。即以空氣為催化劑，在外界可見光作用下發(fā)生催化作用將VOCs降解的處理方法。但這些方法各有缺點(diǎn)，包括處理效果不明顯、運(yùn)行費(fèi)用高、吸附（吸收）劑再生困難、存在二次污染等。

2強(qiáng)電離放電技術(shù)

等離子體，是電子、離子、原子、分子、自由基等粒子的集合體。當(dāng)其電子溫度高達(dá)上萬度，而離子或原子等粒子溫度只有幾百攝氏度或常溫時(shí)，稱為非平衡等離子體，即低溫等離子體。這類等離子體宏觀溫度較低，可使反應(yīng)物分子在帶有高能量的、高電子溫度的化學(xué)場(chǎng)中激活，而外界不需提供能量，反應(yīng)條件溫和。

介質(zhì)阻擋放電、電暈放電、滑動(dòng)電弧放電、輝光放電及射流放電等是氣體放電產(chǎn)生等離子體的主要方式，目前應(yīng)用于大氣污染治理的主要為介質(zhì)阻擋放電和電暈放電。強(qiáng)電離放電羥基自由基降解有機(jī)廢氣處理技術(shù)屬于等離子體凈化技術(shù)中的一種，由于采用大氣壓氣體強(qiáng)電離放電技術(shù)，使氣體電離產(chǎn)生的高能電子平均能量高達(dá)10eV，可高效規(guī)?；a(chǎn)生高濃度OH·等活性粒子，有效提高了有機(jī)廢氣的凈化效率（可達(dá)80%～90%）。

低溫等離子體技術(shù)與一般廢氣治理方法相比，效率高、能耗低、適用范圍廣、處理流程短，并對(duì)低濃度廢氣的去除具有獨(dú)特作用。因此，該項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景，為有機(jī)廢氣治理提供了一種有效方法。

3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

3.1主要試劑和儀器

3.1.1試劑

乙酸乙酯、異丙醇。

3.1.2等離子體反應(yīng)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用的強(qiáng)電離等離子體發(fā)生裝置，其發(fā)生器反應(yīng)室的有效容積為100mm€？90mm€？mm，電極板板間間隙為1mm，等離子體發(fā)生器采用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱。

3.1.3揮發(fā)性氣體配氣裝置

揮發(fā)性氣體的配氣裝置主要借助空氣壓縮機(jī)將一定量的空氣與揮發(fā)性有機(jī)氣體按照一定的比例混合后，在緩沖瓶?jī)?nèi)配成實(shí)驗(yàn)用的所需的初始濃度的VOCs氣體。

3.1.4其他儀器

IQ1000型Mega-Gas有機(jī)氣體在線檢測(cè)儀；testo350M/XL型氣體多功能分析儀；Q3-V型電壓表；美國(guó)立科四通道500M帶寬數(shù)字示波器。

3.2實(shí)驗(yàn)流程

將需要的揮發(fā)性有機(jī)物乙酸乙酯、異丙醇放入氣體預(yù)處理裝置后配成實(shí)驗(yàn)用模擬氣體，而后用打開風(fēng)機(jī)將模擬氣體吹入等離子體發(fā)生器反應(yīng)氣室內(nèi)，在其內(nèi)部與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成H2O，CO2，CO等氣體直接排出。實(shí)驗(yàn)流程圖見圖1。

3.3樣品采集與分析

實(shí)驗(yàn)采用IQ1000型Mega-Gas有機(jī)氣體在線檢測(cè)儀測(cè)定模擬煙氣中靶標(biāo)污染物的含量；模擬氣體中的氣體溫度含濕量用testo350M/XL型氣體多功能分析儀測(cè)得；采用Q3-V型電壓表與美國(guó)立科四通道500M帶寬數(shù)字示波器測(cè)量等離子體反應(yīng)器的外加電壓，電流，電頻率；氣體流量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)直接讀出。

4結(jié)果分析

4.1電壓、頻率對(duì)于降解效率的影響

從圖2中可以看出，當(dāng)乙酸乙酯進(jìn)口濃度為1500mg/m3，異丙醇進(jìn)口濃度為2400mg/m3，外加電源電壓相同時(shí)，電源電頻率越高，其凈化效率越高，電頻率與異丙醇的降解率呈正相關(guān)性。并且電壓在4.5kV，頻率為5.71kHz時(shí)，乙酸乙酯降解率可達(dá)85%，同樣異丙醇降解率可達(dá)87%。

但隨著電源頻率的變大，等離子發(fā)生器的熱量損失逐漸增加，直觀表現(xiàn)為頻率高的時(shí)候等離子發(fā)生器的散熱持續(xù)上升。在外加電場(chǎng)的頻率較低時(shí)，放電介質(zhì)偶極子隨著交變場(chǎng)變化的時(shí)間充足，束縛電荷的建立與消除時(shí)間也比較充裕。此時(shí)的等離子發(fā)生器的放電能量與貯存能量相當(dāng)，若不考慮電導(dǎo)損耗，介質(zhì)作為能量存貯的主要場(chǎng)所，在極化時(shí)并不能使外加電源的能量產(chǎn)生額外的損耗，直接表現(xiàn)就是等離子發(fā)生器的溫度上升比較緩慢。

4.2氣體初始濃度對(duì)降解效率的影響

從圖3中可以看出，在電壓2.42kV、頻率5.71kHz、氣體流速0.8m3/h的條件下，隨著乙酸乙酯氣體初始濃度的提高（由1000mg/m3至1500mg/m3），降解率會(huì)下降，但絕對(duì)降解量會(huì)提高。同樣，在電頻率5.69kHz，電壓2.3kV，氣體流速0.8m3/h的條件下，異丙醇降解率下降，絕對(duì)降解量提高。這是因?yàn)楫?dāng)乙酸乙酯、異丙醇?xì)怏w濃度較低時(shí)，每個(gè)有機(jī)大分子都有較大幾率與高能電子發(fā)生非彈性碰撞，碰撞后有機(jī)大分子的長(zhǎng)鍵會(huì)斷裂并產(chǎn)生相對(duì)較多的小分子或自由基碎片及周圍的活性粒子。而當(dāng)氣體濃度較高時(shí)，大分子與高能電子發(fā)生非彈性碰撞的概率相對(duì)變小，并且長(zhǎng)鍵斷裂后的自由基周邊的活性粒子也相對(duì)減少，所以隨著氣體濃度的增加，降解率降低，但絕對(duì)去除量提高。

5結(jié)語

低溫等離子體技術(shù)是由高能電子引起的化學(xué)反應(yīng)，速度快且效率高。該技術(shù)具有廣泛適應(yīng)性，不僅可以用于揮發(fā)性有機(jī)物去除，還可以對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化、用于惡臭治理、煙氣脫硫脫硝、餐飲油煙凈化和處理燃油尾氣等。

利用大氣壓強(qiáng)電場(chǎng)電離放電方法，規(guī)模高效產(chǎn)生羥基自由基降解VOCs，遵循了國(guó)際化學(xué)科學(xué)研究的前沿——綠色化學(xué)12條原則和國(guó)際環(huán)境科學(xué)研究前沿——高級(jí)氧化技術(shù)原則，可望實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣污染物的快速、零污染、零傷害、零殘留藥劑的綠色治理。但目前該技術(shù)大多處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，亟待解決的問題包括尋找開發(fā)更優(yōu)配置的等離子體反應(yīng)器、與催化劑聯(lián)用并尋找更合適的催化劑、加強(qiáng)對(duì)作用機(jī)理及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的研究等。通過多方面的研究改進(jìn)，最終會(huì)使新興的低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，為廢氣的治理提供現(xiàn)實(shí)可行的、經(jīng)濟(jì)合理的處理方法。

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