低溫等離子體催化降解有機(jī)廢氣的應(yīng)用前景研究

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【摘  要】低溫等離子體催化技術(shù)被認(rèn)為是有機(jī)廢氣治理的高新技術(shù)之一。本文主要介紹了低溫等離子體催化技術(shù)的理論基礎(chǔ)和研究現(xiàn)狀。低溫等離子體催化技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、不產(chǎn)生副產(chǎn)物、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于低濃度大風(fēng)量的有機(jī)廢氣治理，具有廣闊的應(yīng)用前景。 

背 景  有機(jī)廢氣主要指揮發(fā)性有機(jī)化合物，揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds,簡(jiǎn)稱vocs)是指室溫下飽和蒸汽壓大于70.91pa，在空氣中沸點(diǎn)在260℃以下的有機(jī)物。有機(jī)廢氣主要來源于石油化工、印刷、涂料和其他一些工藝。傳統(tǒng)的vocs治理方法主要有吸附法、液體吸收法、冷凝法、吸附－催化燃燒法、光催化法和生物降解法等，但是這些傳統(tǒng)的治理工藝在處理低濃度大風(fēng)量的有機(jī)廢氣存在一些缺點(diǎn)和不足。近年來興起的低溫等離子體催化技術(shù)由于具有操作簡(jiǎn)便、投資少、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低濃度大風(fēng)量的有機(jī)廢氣治理。  1.低溫等離子體的定義  等離子體就是處于電離狀態(tài)的氣體，其英文名稱為plasma。等離子體是被稱作除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的第四種物質(zhì)存在形態(tài)。它是由大量帶電粒子（離子、電子）和中性粒子（原子、激發(fā)態(tài)分子及光子）所組成的體系，因其總的正、負(fù)電荷數(shù)相等，故稱為等離子體   根據(jù)等離子體的粒子溫度，可以把等離子體分為兩大類，即熱平衡等離子體和非平衡等離子體。當(dāng)電子溫度te＝離子溫度ti時(shí)，稱為熱平衡等離子體，簡(jiǎn)稱為熱等離子體。這類等離子體不僅電子溫度高，其他粒子溫度也高。當(dāng)te>>ti時(shí)，稱為非平衡態(tài)的等離子體。其電子溫度可高達(dá)104k以上，而離子和原子之類等其他粒子溫度卻可低至300～500k，因此也叫做低溫等離子體。  2.低溫等離子體催化技術(shù)去除有機(jī)廢氣的機(jī)理  有研究指出[1]：對(duì)于有機(jī)物在低溫等離子體中的氧化降解機(jī)理，反應(yīng)主要有以下幾個(gè)過程：（1）是低溫等離子體中的高能電子與氣體分子、原子發(fā)生非彈性碰撞，將能量轉(zhuǎn)換成基態(tài)分子、原子的內(nèi)能，發(fā)生激發(fā)、離解和電離等一系列過程，使氣體處于活化狀態(tài)；（2）在碰撞過程中產(chǎn)生了大量的o、oh、ho2等自由基和活性粒子及氧化性極強(qiáng)的o3，這些活性物種很容易與處于活化狀態(tài)的氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（3）o、oh、ho2與有機(jī)物分子、破碎的有機(jī)物分子基團(tuán)、等發(fā)生一系列反應(yīng)，有機(jī)物分子最終能被氧化降解為co、co2和h2o。  催化凈化有機(jī)物屬于多相催化作用。多相催化是發(fā)生在兩相界面上的催化作用。通常催化劑為多孔固體，在多相催化反應(yīng)中，有機(jī)物被吸附在固體催化劑表面，使反應(yīng)物分子得到活化，降低了反應(yīng)的活化能，而使反應(yīng)速率加快。  低溫等離子體催化與傳統(tǒng)化學(xué)催化既有相似之處，也有其它特點(diǎn)。等離子體催化具有雙重活化作用及等離子體－催化體系的協(xié)同作用，其作用機(jī)理極其復(fù)雜。低溫等離子體催化協(xié)同凈化有機(jī)廢氣的機(jī)制為：（1）有機(jī)物分子在高能電子的作用下形成各種自由基（o、oh、ho2）、帶電中間體、小分子烴等；（2）在催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由于催化作用有特殊的選擇性，對(duì)相同的反應(yīng)物，選擇不同的催化劑就可以得到不同的產(chǎn)物。因此可以通過調(diào)整催化劑，控制有毒有害副產(chǎn)物的產(chǎn)生，使有機(jī)物分子降解為co2和h2o。  3.低溫等離子體催化技術(shù)去除有機(jī)廢氣的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀  李黨生等[2]采用介質(zhì)阻擋放電與催化劑(mno2，tio2)聯(lián)用降解空氣中低濃度的苯。介質(zhì)阻擋放點(diǎn)協(xié)同催化降解苯的氧化產(chǎn)物為一氧化碳(co)和二氧化碳(co2)。添加mno2、tio2催化劑后，苯的降解效率得到較大的提高。研究發(fā)現(xiàn)苯的轉(zhuǎn)化率隨能量密度的增加而增加，當(dāng)注入反應(yīng)器的能量密度為1200j/l時(shí)，介質(zhì)阻擋放電降解苯的降解效率約為50%，添加催化劑后苯的降解效率率可達(dá)到了92%。  魏長(zhǎng)寬等[3]以苯系物作為處理對(duì)象，利用串齒線-筒體構(gòu)成的等離子體反應(yīng)器，以pt/al2o3或mn/al2o3催化劑置于等離子體區(qū)后，考察了苯系物轉(zhuǎn)化率、cox產(chǎn)率和o3生成情況。結(jié)果表明，催化劑放在等離子體區(qū)后能大大提高苯系物的轉(zhuǎn)化率，cox的選擇性，減少臭氧的排放；認(rèn)為放電產(chǎn)生的o3不僅參與催化氧化苯系物和co的反應(yīng)，而且自身也在催化劑表面分解。  趙雷等[4]采用介質(zhì)阻擋放電凈化甲苯，分析了在改變電壓、污染物入口質(zhì)量濃度等參數(shù)后凈化效率的變化。實(shí)驗(yàn)觀察到副產(chǎn)物co濃度，隨著甲苯濃度的增加而增加。通過在等離子體區(qū)添加催化劑tio2，可以提高甲苯的去除能力（由12g/m3增加到16g/m3），降低了co的產(chǎn)生量，使有機(jī)物更多地轉(zhuǎn)化為無害的co2。  subrahmanyam等[5]制備了以石英管為介質(zhì)的介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器，以負(fù)載了過渡金屬的燒結(jié)金屬纖維作為內(nèi)電極，通過負(fù)載不同的催化劑（mn，ti，co）降解甲苯、異丙醇、三氯乙烯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加電壓和頻率都可以提高能量密度，從而提高有機(jī)廢氣的去除效率和cox的選擇性。  4.結(jié)語(yǔ)  隨著生活水平的提高，人們對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的要求日益提，揮發(fā)性有機(jī)廢氣帶來的污染已受到普遍關(guān)注。低溫等離子體催化技術(shù)理論研究上已經(jīng)被證實(shí)了是去除vocs的最有效方法之一，特別是在處理低濃度大氣量的氣體，具有廣闊的應(yīng)用前景。  參考文獻(xiàn)  [1]黃立維等.高壓脈沖電暈法治理有機(jī)廢氣實(shí)驗(yàn)研究.環(huán)境污染與防治,第20卷，第1期，1998年2月：4-7  [2]李黨生,馮濤,姚水良.低溫等離子體與催化劑聯(lián)用降解空氣中低濃度的苯[j].環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2007, 30(10): 65-67  [3]魏長(zhǎng)寬,朱天樂,樊星等.非熱等離子體與催化相結(jié)合去除氣相低濃度苯系物[j].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 28(4) : 676-680  [4]趙雷,周中平.低溫等離子體技術(shù)凈化空氣中的甲苯.環(huán)境科學(xué)研究.2006,19(4):70 – 73  [5]subrahmanyam c.; renken a.; kiwi-minsker l. novel catalytic non-thermal plasma reactor for the abatement of vocs[j]. chemical engineering journal, 2007, 134(1-3):78-83