低溫等離子體凈化處理揮發(fā)性有機(jī)氣體技術(shù)研究.pdf

1、我國有機(jī)揮發(fā)物(VOCs)的排放量與地區(qū)的工業(yè)發(fā)展程度呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。2008年我國的年排放總值約為2000萬噸，其中包括浙江省在內(nèi)有7個(gè)省的年排放總量超過100萬噸。在未來的幾年，伴隨GDP增長將保持在7-9％的高水平，對有機(jī)化工產(chǎn)品的需求將更迫切，VOCs造成的污染也必將更為嚴(yán)重。傳統(tǒng)治理技術(shù)在處理大風(fēng)量、低濃度VOCs時(shí)費(fèi)用過高，開發(fā)新型的技術(shù)勢在必行。低溫等離子技術(shù)具有可同時(shí)處理多種VOCs的優(yōu)勢，但要實(shí)現(xiàn)深度凈化處理仍遇

2、到能耗高和副產(chǎn)物難以控制的雙重困難。本文針對低溫等離子體技術(shù)凈化處理VOCs在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)及相應(yīng)亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，研究了VOCs凈化反應(yīng)引發(fā)機(jī)理、降解過程，副產(chǎn)物的成因和收集技術(shù)基礎(chǔ)。
　　 首先在新建的閉循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上比較了苯乙烯在正、負(fù)直流電暈下的凈化過程，旨在研究相同實(shí)驗(yàn)條件下不同供電方式的VOCs處理效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示負(fù)電暈的伏安特性曲線受濕度和苯乙烯含量干擾較小。當(dāng)臭氧產(chǎn)量約為80 ppm時(shí)，正、負(fù)電暈所

3、需的能量密度分別為約38 J/L和200 J/L。對于負(fù)電壓供電來說，當(dāng)能量密度為約280 J/L時(shí)，在相對濕度20％和72％的空氣中放電，臭氧的產(chǎn)生量分別為121 ppm和50 ppm；對于正高壓供電來說，當(dāng)能量密度為約40 J/L時(shí)，在相對濕度19％和72％的空氣中放電，臭氧的產(chǎn)生量分別為106ppm和12 ppm。苯乙烯的處理效率在67％附近時(shí)，苯乙醛副產(chǎn)物開始影響其凈化效果。傅立葉紅外光譜和氣相色譜的測量結(jié)果顯示，空氣放電降解苯

4、乙烯的產(chǎn)物主要有苯甲醛、苯乙醛、二氧化碳、一氧化碳和N2O。
　　 接著在閉循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上研究了新型AC/DC供電系統(tǒng)的放電特性，VOCs凈化效果、途徑等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示AC/DC電源的峰值功率和能量傳輸效率分別可以達(dá)到53.6 kW和87.3％，兩者均與并聯(lián)電容有密切關(guān)系。當(dāng)?shù)入x子體能量密度在37 J/L時(shí)，苯乙烯的處理效率在并聯(lián)電容值Ca=0 nF和Ca=3.86 nF的情況下分別為約95％和74％。當(dāng)能量密度在42 J/

5、L時(shí)，苯乙烯的處理效率在重復(fù)頻率f=30 pps和f=120 pps的情況下分別為約93％和83％。苯和甲苯的凈化過程在任何濕度下均為一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，苯乙烯的處理在高、低濕度下分別為一級反應(yīng)和零級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在不同的氣體成分中，臭氧的產(chǎn)量順序依次為空氣>苯>甲苯>>苯乙烯。苯乙烯的凈化過程主要是由苯環(huán)外的C=C鍵與O和OH自由基的反應(yīng)引發(fā)的；甲苯的凈化過程同時(shí)涉及到苯環(huán)的開環(huán)反應(yīng)和環(huán)外-CH3的氧化反應(yīng)；而苯的凈化主要由苯環(huán)的開環(huán)反應(yīng)引

6、起。苯乙烯、苯和甲苯的凈化過程均與氧氣競爭O自由基，使得臭氧的產(chǎn)生量下降。苯乙烯在秒量級的凈化過程中大量消耗臭氧，而苯和甲苯幾乎不消耗臭氧。無機(jī)產(chǎn)物N2O、CO和CO2的產(chǎn)量均隨著能量密度的增加而增多。
　　 最后研究了固相副產(chǎn)物氣溶膠的形成和收集過程。產(chǎn)生的氣溶膠粒徑主要分布在28-384 nm之間。當(dāng)能量密度在27-32 J/L時(shí)，苯乙烯凈化過程得到的氣溶膠個(gè)數(shù)濃度約9×105＃/cm3，這個(gè)值是苯和甲苯凈化過程的3-4倍。

7、在成核和初步成長過后，飽和荷電的氣溶膠在等離子體系統(tǒng)中的主要行為是靜電收集。傅立葉紅外譜圖顯示沉積在低壓極板的氣溶膠含有-COH和-COOH官能團(tuán)。在處理苯乙烯時(shí)，得到粒徑28 nm，55 nm，93 nm和157 nm處的氣溶膠收率分別為4×105＃/(cm3·ppm)，1.1×105＃/(cm3·ppm)，5×104＃/(cm3·ppm)和1×104＃/(cm3·ppm)。兩段式等離子體系統(tǒng)中，在AC/DC放電功率確定的情況下相對分