梁煜 李茹 李青
摘 ? ? ?要:低溫等離子體技術(shù)協(xié)同催化劑是一種高效的降解揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的技術(shù),催化劑的加入可有效提高甲醛氣體的降解效率以及降低副產(chǎn)物O3的生成量,減少能耗。分析了低溫等離子體協(xié)同催化劑降解甲醛氣體的作用機(jī)理,闡述了催化劑在協(xié)同降解中起到的作用,并指出了今后的發(fā)展方向。
關(guān) ?鍵 ?詞:低溫等離子體;催化劑;甲醛;協(xié)同
中圖分類(lèi)號(hào):X511 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A ? ? ? 文章編號(hào): 1671-0460(2020)02-0361-05
Abstract: Non-thermal plasma technology combined with catalysts is a highly efficient technology for degrading volatile organic compounds (VOCs). The addition of catalyst can effectively improve the degradation efficiency of formaldehyde gas and reduce the production of by-product O3 and reduce energy consumption. In this paper, the mechanism of degradation of formaldehyde gas by non-thermal plasma combined with catalysts was analyzed, and the role of catalyst in synergistic degradation was introduced, and the future development direction of non-thermal plasma technology combined with catalysts was pointed out.
Key words: Non-thermal plasma; Catalyst; Formaldehyde; Synergetic effect
甲醛作為一種典型的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs),對(duì)于人的身體健康和自然環(huán)境有一定的威脅。目前降解甲醛的主要技術(shù)有吸收法、吸附法[1,2]、生物法[3-5]和等離子體法等。其中低溫等離子體技術(shù)(Non-Thermal Plasma,NTP)從20 世紀(jì)80 年代就逐步應(yīng)用于VOCs等廢氣治理,并因?yàn)槠洳僮骱?jiǎn)單,處理效果好,被廣泛應(yīng)用[6]。并且隨后在研究中發(fā)現(xiàn)低溫等離子協(xié)同催化氧化技術(shù)不僅大大降低了單純低溫等離子體技術(shù)造成的二次污染問(wèn)題,進(jìn)一步降低能耗,還克服了低溫等離子體或催化劑法的去除效率不高的缺點(diǎn),結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步提高了廢氣的去除率。近年來(lái),針對(duì)等離子體法降解甲醛氣體的研究逐漸增多,主要是通過(guò)加入不同種類(lèi)的催化劑研究對(duì)甲醛降解效果的影響,并推測(cè)協(xié)同作用的過(guò)程。本文將針對(duì)這幾方面對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究成果進(jìn)行概述。
1 ?甲醛脫除工藝
甲醛的去除技術(shù)主要分為三類(lèi),一種是控制甲醛氣體產(chǎn)生的源頭,一種是對(duì)甲醛氣體進(jìn)行稀釋?zhuān)约翱諝鈨艋痆7,8]。傳統(tǒng)處理工藝主要有吸附法、吸收法、生物法、催化氧化法、光催化法以及等離子體法等[9,10]。這些處理技術(shù)的處理原理、適用范圍、最終產(chǎn)物和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
一般來(lái)說(shuō),等離子體中的粒子類(lèi)型有6種,即:光子、電子、基態(tài)原子(或分子)、激發(fā)態(tài)原子(或者分子)以及正離子和負(fù)離子[11]。這些粒子具有能量高,活性強(qiáng)的特點(diǎn),在反應(yīng)器中與氣體分子和污染物分子相互碰撞,使得難去除的污染物分子得到降解。
2 ?低溫等離子體技術(shù)降解甲醛氣體
低溫等離子體法降解甲醛氣體主要是在反應(yīng)器中放電產(chǎn)生的大量高能電子,與空氣中的分子和原子發(fā)生非彈性碰撞,使分子激發(fā)、電離和自由基化,產(chǎn)生一系列的活性基團(tuán),如O·、·O、·H等自由基,這些活性粒子與污染物氣體分子發(fā)生碰撞,使污染物分子化學(xué)鍵斷裂,生成CO2、H2O以及小分子有機(jī)物[12]。
其主要有兩種途徑:一種是高壓放電產(chǎn)生的高能電子直接作用于甲醛分子,使得污染物分子發(fā)生分解;另一種是高壓放電產(chǎn)生的高能電子間接作用氧化甲醛分子,它是由于高能電子與空氣發(fā)生碰撞,產(chǎn)生的O·、·OH、·H等自由基與甲醛氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng),從而降解污染物氣體。
有研究者通過(guò)光譜法對(duì)低溫等離子體中活性粒子進(jìn)行分析,探討哪種活性粒子對(duì)甲醛降解起關(guān)鍵作用。區(qū)瑞錕[13]在研究單獨(dú)空氣介質(zhì)阻擋放電中,利用發(fā)射光譜法分析了在降解甲醛分子過(guò)程中氧活性粒子的貢獻(xiàn)大于氮活性粒子。張靜等[14]模擬了DBD去除HCHO廢氣的化學(xué)動(dòng)力學(xué),結(jié)果發(fā)現(xiàn),HCHO的降解主要有兩條途徑,一是HCHO通過(guò)與放電反應(yīng)中產(chǎn)生的活性粒子如·OH自由基、O原子以及O3等發(fā)生碰撞后分解,另一是甲醛分子與含氮分子激發(fā)態(tài)及第一電子激發(fā)態(tài)間進(jìn)行碰撞,進(jìn)而得到降解;同時(shí)OH·和O·等活性自由基濃度的提高與氮分子的第一激發(fā)態(tài)有關(guān)。
3 ?低溫等離子體協(xié)同催化劑降解甲醛氣體
3.1 ?協(xié)同作用
低溫等離子體降解甲醛氣體時(shí)操作方便,效果好。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),低溫等離子體降解甲醛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臭氧等副產(chǎn)物,以及能量效率并不高等問(wèn)題[15,16]。有研究發(fā)現(xiàn)在等離子體反應(yīng)體系引入適當(dāng)?shù)拇呋瘎?,利用等離子體能在常溫常壓下進(jìn)行反應(yīng)和催化劑具有高選擇性的特點(diǎn),將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái),使反應(yīng)更加具有選擇性,可有效地抑制副產(chǎn)物的產(chǎn)生,增加CO2的選擇性[17-22]。近幾年,利用低溫等離子體協(xié)同催化劑降解甲醛的研究如表2所示。
3.2 ?影響因素
甲醛氣體的降解效率和副產(chǎn)物產(chǎn)生量受反應(yīng)器參數(shù)(放電類(lèi)型、放電間隙等)和操作參數(shù)(放電電壓、氣體流量和初始濃度等)因素的影響。
3.2.1 ?放電類(lèi)型
等離子體的放電形式主要有輝光放電、電暈放電和介質(zhì)阻擋放電等,其中電暈放電和介質(zhì)阻擋放電等離子體較多的應(yīng)用于VOCs的降解。不同的放電形式主要影響的是能量密度,能量密度越大,活性粒子數(shù)目就越多,降解效果就越好,但從經(jīng)濟(jì)方面考慮,能量密度自然越小越好。
3.2.2 ?放電電壓
放電電壓是放電反應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù),它影響著輸入反應(yīng)器的能量。單位時(shí)間內(nèi)輸入的能量越高,產(chǎn)生的高能電子就越多,高能電子與甲醛氣體的碰撞機(jī)會(huì)增多,轉(zhuǎn)化效率就越高。董冰巖等[23]利用等離子體協(xié)同TiO2-分子篩催化劑降解甲醛,考察了放電電壓、放電間隙、氣體體積流量、甲醛初始濃度和脈沖重復(fù)頻率對(duì)甲醛降解效率的影響,在最佳處理?xiàng)l件下,甲醛降解率達(dá)到76.9%,臭氧生成質(zhì)量濃度為43.8 mg/m3;Chang[25]等人和竹濤[26]等用介質(zhì)阻擋放電等離子體降解甲醛的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,甲醛去除效率隨放電電壓的增大而升高,隨濕度升高而降低。電場(chǎng)強(qiáng)度受放電電壓的影響,梁文俊[27]等人發(fā)現(xiàn)增加電場(chǎng)強(qiáng)度即增加電壓能提高甲醛氣體的去除效率,但需要考慮輸入的能量和降解效果是否成正比,對(duì)于能耗的大小也必須權(quán)衡,不能一味地追求降解效率而“顧此失彼”。
3.2.3 ?初始濃度
大部分研究表明,隨著初始濃度增加,甲醛的降解效率逐漸降低。在竹濤[26]等的研究中發(fā)現(xiàn)甲醛的降解效率確實(shí)隨甲醛初始濃度的升高而下降,這也很好地印證了這一點(diǎn)。單位時(shí)間體積內(nèi)反應(yīng)器產(chǎn)生的高能電子數(shù)目是一定的,隨著初始濃度的增加,單個(gè)甲醛分子與高能電子的碰撞幾率就會(huì)減少,從而導(dǎo)致甲醛降解效率的下降。在一固定反應(yīng)器內(nèi),氣體的最大處理量是一定的。
3.2.4 ?氣體流量
氣體流量決定了甲醛氣體在反應(yīng)器中的停留時(shí)。停留時(shí)間越長(zhǎng),甲醛分子與高能電子的碰撞幾率就越多,甲醛氣體的降解效率也就越高。董冰巖[8]利用雙極性脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體降解甲醛時(shí),在氣體流量為0.5 L/min時(shí),甲醛的降解效率最高。改變停留時(shí)間的方法有兩種,一種是通過(guò)氣體流量來(lái)改變?cè)诜磻?yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間,另一種是通過(guò)改變反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)區(qū)的體積大小,使得氣體分子的停留時(shí)間增長(zhǎng)。
3.2.5 ?一般催化劑
在等離子體氛圍中加入催化劑改變了等離子體放電的類(lèi)型,從而使等離子體在放電階段產(chǎn)生新的活性物種。加入的催化劑由活性組分和載體組成,活性組分主要包括Pd、Pt等貴金屬和Ag、Mn、Ti等過(guò)渡金屬氧化物以及一些多元復(fù)合式;載體主要包括金屬氧化物、分子篩、活性炭和硅膠等,其中比較常見(jiàn)的載體有3A分子篩、4A分子篩、5A分子篩和活性Al2O3等[28]。董冰巖[22]利用脈沖放電等離子體技術(shù)協(xié)同催化劑降解甲醛,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)選擇載體和活性組分尋找最高效的催化劑,發(fā)現(xiàn)Ce-Ag-MnO2/TiO2-分子篩復(fù)合催化劑降解甲醛的效果最優(yōu),并能降低臭氧的產(chǎn)生量,增加CO2的選擇性;楊鑫鑫[29]利用ZnO/石墨烯催化劑協(xié)同等離子體脫除空氣中的甲醛氣體,發(fā)現(xiàn)其降解效率大于單獨(dú)等離子體和單獨(dú)ZnO/石墨烯催化劑降解甲醛的脫除效率之和,最高降解效率可達(dá)到96.1%,ZnO/石墨烯和等離子體具有良好的協(xié)同作用。胡祖河[30]用介質(zhì)阻擋放電降解室內(nèi)甲醛氣體,發(fā)現(xiàn)加入Cu/HZSM-5分子篩催化劑后降解效率得到提高。3.2.6 ?光催化劑
除此之外,還有一些光催化劑,如TiO2、ZnO、ZrO2、SnO2、WO3、CeO2等,可利用等離子體放電過(guò)程中產(chǎn)生的紫外光激發(fā)光催化劑的活性,進(jìn)而達(dá)到提高甲醛降解效率的效果。徐榮[31]和楊學(xué)昌[32]利用等離子體與TiO2光催化劑結(jié)合應(yīng)用于室內(nèi)空氣中甲醛的脫除,認(rèn)為等離子體產(chǎn)生的紫外光和富能電子能激發(fā)TiO2光催化劑的催化活性,在提高甲醛降解效率的同時(shí)也能提高了CO2的選擇性。陳礪[33]等人在介質(zhì)阻擋放電的條件下,結(jié)合光催化劑降解甲醛氣體,結(jié)果表明摻雜了Mn金屬離子TiO2/γ-Al2O3的催化劑,無(wú)論是對(duì)甲醛的降解效率還是CO2的選擇性都得到了顯著的提高,同時(shí)降低了O3的生成量。Ding H X[34]等人利用介質(zhì)阻擋放電協(xié)同Ag/CeO2催化劑降解甲醛氣體,在初始濃度為174.9 mg·m-3時(shí),去除效率達(dá)92%。
3.3 ?機(jī)理分析
放電過(guò)程中存在大量的活性粒子,這些活性粒子可以在等離子體反應(yīng)器中源源不斷的得到。甲醛分子在反應(yīng)器中得到降解,是由于活性粒子的能量高于甲醛分子,在碰撞過(guò)程中,甲醛分子的化學(xué)鍵斷裂,或者氣體分子的化學(xué)鍵斷裂進(jìn)而與甲醛分子發(fā)生反應(yīng)。同時(shí),在低溫等離子體的放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生紫外光,紫外光也有利于甲醛分子的降解。
在反應(yīng)器中加入催化劑,一方面催化劑對(duì)甲醛分子具有吸附作用,能夠延長(zhǎng)甲醛分子在反應(yīng)器中的停留時(shí)間,使甲醛分子反應(yīng)更完全;另一方面催化劑具有良好的選擇性,與等離子體反應(yīng)過(guò)程中的副產(chǎn)物如臭氧、CO等反應(yīng),生成CO2和H2O等簡(jiǎn)單分子;還有就是催化劑能夠降低反應(yīng)的活化能以及在催化劑表面產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)促進(jìn)甲醛的氧化。低溫等離子體協(xié)同催化劑降解甲醛氣體可以有效地控制反應(yīng)過(guò)程中副產(chǎn)物的生成量與選擇性,提高了反應(yīng)器的能量利用率和去除效率[35-37]。聶亞林[38]在雙極性高壓脈沖介質(zhì)阻擋放電協(xié)同催化劑降解甲醛的實(shí)驗(yàn)研究中分析,催化劑的作用是通過(guò)吸附HCHO分子,增加HCHO在DBD反應(yīng)器中的時(shí)間及HCHO在催化劑周?chē)臐舛?放電產(chǎn)生的活性粒子會(huì)激發(fā)催化劑活性,增加反應(yīng)器內(nèi)各種物質(zhì)發(fā)生碰撞。
催化劑對(duì)O3等分解活性跟催化劑的比表面積、晶體結(jié)構(gòu)以及催化劑表面活性有關(guān)。催化劑的加入使得O3被氧化為活性氧原子,這些活性氧原子與甲醛分子發(fā)生碰撞,最終將甲醛分子降解為簡(jiǎn)單分子[8]。
通過(guò)對(duì)放電前后的催化劑進(jìn)行表征,可觀察催化劑發(fā)生的變化推測(cè)催化劑在等離子體降解甲醛過(guò)程中產(chǎn)生的作用。放入等離子體體系的催化劑在性能和結(jié)構(gòu)方面均有所提高。董冰巖[39]研究含量比為1∶4的Ti和Mn制備的TiO2-MnOx/γ-Al2O3催化劑與放電等離子體協(xié)同去除甲醛的效果最好,去除率可達(dá)97.5%,脈沖放電能夠改變催化劑的結(jié)構(gòu)和晶型,放電之后的TiO2-MnOx/γ-Al2O3催化劑表面粗糙度降低,細(xì)小的微孔增多,催化劑的活性增強(qiáng),加強(qiáng)了甲醛的去除。竺新波[40]考察了等離子體協(xié)同銅鈰催化劑脫除甲醛的機(jī)理研究,認(rèn)為等離子體催化脫除甲醛的過(guò)程中等離子體放電反應(yīng)產(chǎn)生的O、OH、N等自由基和亞穩(wěn)態(tài)N2物種與吸附在催化劑表面的甲醛分子碰撞生成HCO和HCOOH等,進(jìn)而被氧化成CO2和H2O等小分子。
4 ?結(jié) 論
在廢氣治理領(lǐng)域中,低溫等離子體協(xié)同催化劑反應(yīng)所體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)低溫等離子體或單一催化氧化技術(shù)不可比擬的。主要是因?yàn)閰f(xié)同作用改變了催化劑的結(jié)構(gòu)和晶型、在催化劑表面產(chǎn)生電子-空穴電子對(duì),增強(qiáng)催化劑的活性,是兩者協(xié)同作用的結(jié)果。在未來(lái)的發(fā)展中可通過(guò)研究適用于等離子體系統(tǒng)的高效催化劑,提高低溫等離子體和催化劑技術(shù)的協(xié)同作用,并利用光譜法診斷低溫等離子體協(xié)同催化劑作用中的活性粒子,探討協(xié)同作用的反應(yīng)機(jī)理。
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