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    温等离子体处理工业废气中甲苯的研究进展

      发布时间:2018-03-21 05:07

      甲苯作为挥发性有机化合物的代表,其治理技术已成为研究的热点。介绍了低温等离子体的概况及其处理甲苯的机理,重点概述了单独低温等离子体技术处理甲苯的放电形式、放电参数以及低温等离子体协同催化技术处理甲苯的工艺、催化剂种类和放电模式,并对低温等离子体技术处理工业废气中甲苯的发展方向进行了展望。低温等离子体技术处理工业废气中甲苯的处理效率高,但选择性较差,通过协同催化技术,可以进一步提高选择性,具有很好的应用前景。

      挥发性有机化合物(VolatileOrganicCornpounds,VOCs)是在常温下饱和蒸气压大于70Pa、常压下沸点低于260。C的有机化合物的总称1,常见的有烃类、醇类、酯类、酸类以及胺和腈类化合物[2]。VOCs种类繁多,所表现的毒性和刺激性能导致呈现种种不适反应,可对健康造成较大影响,部分VOCs在紫外光的照射下还会与大气中的氮氧化物发生光化学反应形成光化学烟雾口。目前,VOCs污染已经引起社会的广泛关注,我国2012年出台的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中,首次明确提出要开始控制VOCs,因此对VOCs的控制和治理极为重要与迫切。甲苯作为VOCs的代表,主要来源于建筑材料、钢铁冶炼、石油炼制、有机化工和家具制造业等行业尤其作为主要大气污染源的钢铁冶炼行业,在炼焦环节中,煤在隔绝空气条件下干馏会生成大量含甲苯等有机物的气体,其危害性较大,因此研究环境中甲苯的治理技术已成为国内外的焦点。

      工业废气中甲苯的传统治理技术主要包括吸附法、吸收法、膜分离法、冷凝法、催化燃烧法、光催化氧化法和生物法,各种方法各有其优缺点,但近年来兴起的低温等离子体技术,相比于传统处理技术,该方法具有适用范围广、工艺简单且二次污染少等特点,在治理VOCs方面倍受关注。为此,本文介绍了低温等离子体概况及其去除甲苯的机理,重点概述了单独低温等离子体技术处理甲苯的放电形式、放电参数以及低温等离子体协同催化技术处理甲苯的工艺、催化剂种类和放电模式,并对低温等离子体技术处理工业废气中甲苯的发展方向进行了展望。

      等离子体是由Langmuir在1928年首次提出以表示电离气体,并在随后的研究报道中被使用,它是分子、原子、离子、电子和自由基等粒子的集合体,是除固、液和气态外的第四种物质存在形态。按照热力学平衡,等离子体可分为热力学平衡和非热力学平衡两种,详见表1。热力学平衡等离子体具有较高的宏观温度,能将难以处理的废物无害化,在环境领域中主要用于固体废物的处理,但是对于处理气体污染物,所产生的高温是不必要的。非热力学平衡等离子体,即低温等离子体,粒子温度一般在300~400K之间,而电子温度可以达到104K,其宏观温度接近室温,电子能量较高,高能电子与气体分子、原子发生非弹性碰撞,将能量转换成基态分子和原子的内能,CH南发生激发、电离和离解等一系列过程,使气体处于活化状态并在碰撞过程中产生大量活性粒子和自由基,引起物理变化和化学反应。因此,低温等离子体被认为是颇具前途的有机废气处理技术。

      甲苯在低温等离子体中的降解主要通过3种途径实现,即高能电子解离、电荷转移和活性物种攻击,参加反应的活性物种包括高能电子、H、OH、NO2以及放电或O3分解生成的活性O等。苯环上的CC键的键能为5.0~5.3eV,苯环上的CC键的键能为5.5eV,甲基和苯环之间的CC键的键能为4.4eV,而等离子体放电产生的高能粒子的能量范围在1~10eV之间[1“。当甲苯分子受到高能粒子的攻击时,氧化分解路径主要有3种:①苯环上的甲基脱氢,然后在H或OH的作用下形成苯甲醛,苯甲醛再进一步被氧化为苯甲酸;②苯环与甲基之间的CC键断裂,在OH、NO2和O的作用下生成硝基苯酚类物质;③苯环开环后逐渐被氧化成CO2和H2O等,如图l所示。

      根据放电方式的不同,低温等离子体的产生方式分为电晕放电法、介质阻挡放电法(DielectricBarrierDisge,DBD)和辉光放电法。目前处理甲苯应用广泛的主要为电晕放电法和介质阻挡放电法。

      电晕放电法包括直流电晕放电和脉冲电晕放电,按电压类型又可分为直流电晕、交流电晕和高频电晕。电晕放电等离子体反应器如图2所示,该反应器主要通过直流电源或脉冲电源产生的电流,使得迁移率高的电子受到电场场强的加速而获得足够能量与污染物分子发生一系列反应。如谢志辉等[1朝利用脉冲放电来降解甲苯,当电压为34kV时,正脉冲和负脉冲下甲苯的降解率相差高达42.5%,但无论是正脉冲还是负脉冲,甲苯降解率都随电压的增大而呈非线性升高;聂勇等心叫利用电晕放电法在线板式反应器内对低浓度甲苯废气进行降解,当电压峰值为69kV时,甲苯去除率可达88%,降解产物主要为CO2、H2O及部分CO,随着电压的增大,产物中CO。的浓度增加;等心u利用脉冲电晕等离子体技术净化甲苯,发现其对于大流量、低浓度的甲苯废气能达到较好的去除效果,其最高去除率可达85.4%。电晕放电法处理VOCs时去除率高,但由于能耗大而限制了其工业上的使用,目前主要停留在实验室方面的研究。

      介质阻挡放电法的放电特性与气体组成、频率的运行条件、介质材料和电压密切相关。介质阻挡放电等离子体(DBD)反应器通过将绝缘介质插入放电空间来进行放电,常用的介质材料有石英、玻璃、陶瓷和刚玉等。DBD反应器的结构有平面型、圆柱型和表面型,如图3所示。在平面型DBD反应器结构中可以分为3种形式[见图3(a)]:一是反应发生在电介质和接地电极间的区域,电介质和接地电极均可与反应气体相互作用;二是介质材料在两个电极之间,反应会受到两个电极的同时影响;三是反应发生在两层电介质之间,可以避免受到电极的影响。在圆柱型DBD反应器结构中有两种形式[图3(b)],即反应发生在两介质之间或在介质与电极之间进行。如郭腾等利用DBD反应器来降解氮中的甲苯废气,发现在放电结构和电源功率确定时,存在最佳的气体流量,使放电功率与甲苯的降解率最高,当甲苯的初始浓度为10ppm(1ppm一10“)时,甲苯的降解率可达98%,但随着气体流量的增大,反应器中甲苯的平均可资用能下降,使降解尾气中有机副产物的浓度升高;Guo等利用DBD反应器来降解甲苯废气,发现能量密度为90Wh/m3时,甲苯的去除率可达90%以上;李晶欣等采用变频交流电源利用DBD反应器来降解甲苯废气,结果表明当场强为9.7kV/cm、频率为400Hz时,甲苯的去除率可达80.9%;杜赭华发现氧气在介质阻挡放电时会产生大量活性粒子,其与气体碰撞后发生反应,提高了气体处理效率。DBD反应器处理甲苯降解效率高、占地少,是低温等离子体技术处理甲苯研究的一个热点,但反应过程中产生的副产物种类多,存在二次污染的问题。

      日前,黑龙江省物价监督管理局、黑龙江省财政厅、黑龙江省环境保护厅联合印发关于制定石油化工及包装印刷等试点行业挥发性有机物排污费征收标准等有关问题的通知。黑龙江省石油化工、包装印刷等试点行业VOCs排污费征收标准与二氧化硫、氮氧化物排污费征收标准相同,即:每污染当量1.2元。自20

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