催化型低溫等離子體反應(yīng)器凈化廢氣研究進(jìn)展

張志偉

（浙江省環(huán)境工程有限公司 浙江杭州 310012）

催化型低溫等離子體反應(yīng)器凈化廢氣研究進(jìn)展

張志偉

（浙江省環(huán)境工程有限公司 浙江杭州 310012）

催化型低溫等離子體反應(yīng)器的作用是有效提高對(duì)廢氣的治理效率，較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣的凈化。相關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示，如果能量密度確定，那么催化型低溫等離子體反應(yīng)器要比普通的反應(yīng)器的能量效率要高很多倍。之所以出現(xiàn)如此大的差距，主要與污染物的所屬范圍、反應(yīng)器的架構(gòu)、催化劑的指標(biāo)參數(shù)密不可分。本文主要介紹了反應(yīng)的原理、構(gòu)型以及催化劑的參數(shù)對(duì)反應(yīng)器的影響，并提出了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

催化型；低溫等離子體；反應(yīng)器；廢氣；凈化

低溫等離子體方面的研究始于臭氧，后來(lái)被廣泛應(yīng)用于對(duì)NOx、H2S等廢氣的排放。與傳統(tǒng)的廢氣治理技術(shù)相比，低溫等離子體技術(shù)的反應(yīng)速度較快、溫度較低，能夠在統(tǒng)一的過(guò)程中完成對(duì)多種氣態(tài)物質(zhì)的凈化，但是能耗較高。催化型低溫等離子體反應(yīng)器能夠有效解決這一難題，具有較好的發(fā)展前景，二者的有機(jī)結(jié)合可以使得氣體污染物發(fā)生反應(yīng)，能量效率得以提升。

1 催化型低溫等離子體反應(yīng)器處理廢氣的基本原理

1.1 催化型低溫等離子體反應(yīng)器在廢氣處理方面效果更好。鑒于低溫等離子體中粒子壽命較短以及研究方式的限制，其與催化劑的結(jié)合原理主要建立在對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)過(guò)程的光譜分析的基礎(chǔ)上的。

1.2 通常情況下，催化型低溫等離子體反應(yīng)器能夠提供一個(gè)空間，具備較多類型的高性物種。氣態(tài)形式的污染物在等離子體的作用下，發(fā)生各種方式的降解，主要是通過(guò)電子、離子和自由基的碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)。在等離子體中，其活性粒子的平均能量要高于污染物中的鍵能，于是在它們之間發(fā)生激烈的碰撞現(xiàn)象，將污染物的分子鍵打開，化學(xué)反應(yīng)立即發(fā)生。在催化劑加入等離子場(chǎng)后，高能粒子能夠極化表面的顆粒，形成強(qiáng)加強(qiáng)區(qū)，同時(shí)構(gòu)成電子發(fā)射。催化劑發(fā)揮其對(duì)污染物的收集作用，這就使得降解時(shí)間被延遲，有利于完成對(duì)污染物的降解。同時(shí)，高能活性粒子能夠引發(fā)位于等離子體附近的催化劑，活化能被降低。

2 催化型低溫等離子體反應(yīng)器特征

2.1 一段式反應(yīng)器

在一段式反應(yīng)器中，催化劑可以在電極和反應(yīng)器內(nèi)壁進(jìn)行沉積，也可以在放電區(qū)域以顆粒的形狀進(jìn)行填充，這都是催化劑在低溫等離子體發(fā)生區(qū)的存在形式。這樣，即使是壽命不長(zhǎng)的粒子也能與催化劑起作用。一段式反應(yīng)器的應(yīng)用有助于高能活性粒子與催化劑的的結(jié)合，但是由于活性粒子在定量方面的不定性以及顆粒表面的二次放電現(xiàn)象，導(dǎo)致其與催化劑耦合方式的研究項(xiàng)目存在較大難度。

2.2 兩段式反應(yīng)器

兩段式反應(yīng)器通常是在低溫等離子體反應(yīng)區(qū)后置一段催化反應(yīng)區(qū)，氣體的流量、功率等因素會(huì)對(duì)二者的間距和催化劑品種產(chǎn)生影響。在催化區(qū)和低溫等離子體區(qū)存在較大的距離，很多短壽命的離子無(wú)法到達(dá)催化區(qū)域。對(duì)于接受催化劑作用的活性粒子進(jìn)行探討，二者協(xié)同作用比較易于操作。但正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，兩段距離無(wú)法達(dá)到完全的同時(shí)作用。

3 反應(yīng)器中催化劑的相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)

3.1 催化劑的材料

對(duì)于應(yīng)用于低溫等離子體反應(yīng)器、發(fā)揮聯(lián)合作用的催化劑來(lái)講，主要包括鐵電材料、金屬氧化物以及一些貴金屬等物質(zhì)。不同的材料主要針對(duì)不同的降解目標(biāo)，材質(zhì)不同，反應(yīng)方式存在較大差異，目標(biāo)效果也不盡相同。

3.2 催化劑的外部形狀和粒度

對(duì)于一段式的反應(yīng)器，催化顆粒發(fā)揮著電介質(zhì)的作用，其在形狀和粒度上的特征會(huì)對(duì)氣體放電產(chǎn)生較大的影響。尖銳的邊緣能夠獲得較高的局部電物，能夠?qū)崿F(xiàn)較大能量的激發(fā)。

4 運(yùn)行過(guò)程需重視的問(wèn)題

4.1 溫度產(chǎn)生的主要影響

對(duì)于低溫等離子體反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，在實(shí)際操作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱能，致使整個(gè)系統(tǒng)的溫度升高，其幅度與電源的實(shí)際功率、反應(yīng)器的構(gòu)造和廢氣流量有著密切的聯(lián)系。通常情況下，溫度的提高能夠促進(jìn)廢氣的分解速度，達(dá)到催化劑的活化溫度，凈化系統(tǒng)的功能得以提升。但是，溫度也不能一味地升高，否則適得其反。溫度過(guò)高會(huì)使得顆粒介電常數(shù)加快降低，放電功率和去除效率都降低；同時(shí)，溫度過(guò)高會(huì)使得活性粒子出現(xiàn)較為混亂的運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)加劇的趨勢(shì)，碰撞幾率降低。因此，要合理掌握和控制催化劑低溫等離子體反應(yīng)器的溫度。

4.2 填充催化劑過(guò)程中造成的壓力損失

在實(shí)際操作過(guò)程中，必須充分考慮催化劑填充過(guò)程中產(chǎn)生的壓力損失及能耗。對(duì)于損失的具體數(shù)值，有許多相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式可以被利用，通常與顆粒的空隙、形狀和密度有關(guān)。在實(shí)際運(yùn)用中，要結(jié)合實(shí)際情況，降低催化劑填充過(guò)程中的能耗，減少壓力損失產(chǎn)生的能耗。同時(shí)，可以通過(guò)前置除塵段實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決。

4.3 副產(chǎn)物對(duì)催化劑產(chǎn)生的負(fù)面作用

在廢氣中，存在很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)，其分解的產(chǎn)物可能對(duì)填充的催化劑產(chǎn)生負(fù)面毒害的作用，促使催化劑的活性被降低，甚至喪失，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的工作效率出現(xiàn)下滑。

5 結(jié)語(yǔ)

在廢氣治理的研究領(lǐng)域中，催化型低溫等離子體反應(yīng)器的應(yīng)用是一種進(jìn)步，是在傳統(tǒng)低溫等離子體反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，并對(duì)其進(jìn)行一定的改造和創(chuàng)新，有助于系統(tǒng)能量效率的提升，實(shí)現(xiàn)能耗的降低，凈化效果增強(qiáng)，發(fā)展前景比較廣闊。但是，也要做好幾個(gè)方面的努力：對(duì)催化型低溫等離子體反應(yīng)器的架構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷優(yōu)化，提高系統(tǒng)作用的效果；提升凈化廢氣的機(jī)理，設(shè)置合理的數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)合理性；重視操作操作過(guò)程中溫度、壓力等問(wèn)題。總之，要不斷增強(qiáng)這項(xiàng)技術(shù)在治理廢氣方面的作用和功能。

[1]竹濤,李堅(jiān),何緒文等.吸附增效/催化-低溫等離子體技術(shù)降解甲苯廢氣[J].高電壓技術(shù),2009,35(11):2764-2769.

[2]李靜,韓世同,白書培,等.低溫等離子體協(xié)同催化處理VOC技術(shù)中填充材料的研究進(jìn)展[J].化工科技,2006,14(5):33-39.

[3]梁文俊,馬琳,李堅(jiān)等.低溫等離子體-催化聯(lián)合技術(shù)去除甲苯的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,40(2):315-320.