低溫等離子體在廢氣處理中的應用

楊付輝

摘要：為了提高居民生活環境質量、杜絕空氣污染隱患，異味惡臭源的控制處理已成為目前一些地區亟待解決的環境問題。文章對低溫等離子體在廢氣處理中的應用進行了討論。

關鍵詞：低溫等離子體；廢氣處理；應用

等離子體化學是涉及高能物理、放電物理、放電化學、反應工程學、高壓脈沖技術等領域的一門交叉學科。將等離子體用于處理各類污染物成為國內外研究的熱門之一。與其他污染治理技術相比，等離子體法具有處理流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等特點。等離子體既可用于處理廢氣又可用于處理廢水、固體廢物、污泥、甚至放射性廢物。

一、低溫等離子體分解氣態污染物的機理

采用低溫等離子體分解氣體污染物時，等離子體中的高能電子起決定性的作用。數萬度的高能電子與氣體分子（原子）發生非彈性碰撞，將能量轉換成基態分子（原子）的內能，發生激發、離解、電離等一系列過程使氣體處于活化狀態。電子能量較低（<10ev）時，產生活性自由基，活化后的污染物分子經過等離子體定向鏈化學反應后被脫除。當電子平均能量超過污染物分子化學鍵結合能時，分子鍵斷裂，污染物分解。在低溫等離子體中，可能發生各種類型的化學反應，這主要取決于電子的平均能量、電子密度、氣體溫度、污染物氣體分子濃度及共存的氣體成分。

二、常用的廢氣處理技術

目前國內外用于處理異味惡臭的廢氣有多種技術，其中常用的技術為燃燒法、氧化法、吸收法、吸附法、生物法、光催化法、等離子體法等。其中吸收法的凈化效率不高，消耗吸收劑，易形成二次污染；低溫等離子體法的適用范圍廣、凈化效率高，尤其適用于其它方法難以處理的多組分異味惡臭氣體，但一次性投資較高；吸附法的吸附劑費用昂貴，再生較困難，要求待處理的異味惡臭氣體有較低的溫度和含塵量；生物法的占地面積大，填料需定期更換，脫臭過程不易控制，運行一段時間后容易出現問題，對疏水性和難生物降解的物質處理還存在較大難度。

三、DDBD低溫等離子體技術

DDBD低溫等離子體是繼固態、液態、氣態之后的物質第四態。低溫等離子體降解污染物是利用高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時間內發生分解，并發生后續的各種反應以達到降解污染物的目的。

1、DDBD低溫等離子體去除污染物的機理

介質阻擋放電是一種獲得高氣壓下低溫等離子體的放電方法，這種放電產生于兩個電極之間。介質阻擋放電可以在0.1×105～10×105Pa下進行，具有輝光放電的大空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運行等特點。整個放電過程由許多在空間和時間上隨機分布的微放電構成，這些微放電的持續時間很短，一般在10ns量級。見圖1所示。

介質阻擋放電過程中，電子從電場中獲得能量，通過碰撞將能量轉化為污染物分子的內能或動能，這些獲得能量的分子被激發或發生電離形成活性基團，同時空氣中的氧氣和水分在高能電子的作用下也產生大量的新生態氫、臭氧和羥基氧等活性基團，這些活性基團相互碰撞后便引發了一系列復雜的物理、化學反應。從低溫等離子體的活性基團組成可以看出，低溫等離子體內部富含極高化學活性的粒子，如電子、離子、自由基和激發態分子等。廢氣中的污染物質與這些具有較高能量的活性基團發生反應，最終轉化為無二次污染的CO2和H2O等物質，從而達到凈化廢氣的目的。

低溫等離子體化學反應的過程大致如下：

從上述反應過程可以看出，電子先從電場獲得能量，通過激發或電離將能量轉移到污染物分子中去，獲得能量的污染物分子被激發，部分分子被電離，從而成為活性基團。然后這些活性基團與氧氣、活性基團與活性基團之間相互碰撞后生成穩定產物和熱。另外，高能電子也能被鹵素和氧氣等電子親和力較強的物質俘獲，成為負離子。這類負離子具有很好的化學活性，在化學反應中起著重要的作用。

2、DDBD低溫等離子體技術的特點

低溫等離子體裂解氧化廢氣處理技術具有能耗低（處理相同氣量的廢氣能耗降低2/3）、處理廢氣量大、無需對發生管進行沖洗等優點。低溫等離子體技術應用于異味惡臭氣體治理，處理效果好（幾乎可以處理目前常見的各種異味惡臭氣體）；運行費用低廉（每立方米氣量運行費用僅為1～5分）；運行穩定、操作管理簡便，即開即用。該技術可廣泛應用于石油化工、制藥、食品、污水處理、涂料、皮革加工、感光材料、汽車制造、稀土等諸多行業有機廢氣的治理以及采用其它方法很難解決的廢氣的治理。

四、案例分析

1、項目概況

山東某制藥有限公司污水站異味氣體主要來源于特高調節池、兼氧池等工藝段散發的異味氣體，主要污染因子包括：硫化氫、亞硫酸、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、氨以及吲哚、有機酸等其它有機廢氣，總廢氣量為3500m3/h。

2、廢氣處理工藝介紹

對比目前的廢氣處理方法，針對廢氣中污染物的特性，考慮處理效果及工程投資的前提，確定該廢氣工程適合選擇“低溫等離子體裂解氧化廢氣處理工藝”。廢氣首先進行溶劑吸收，再經現有的預處理系統處理，預處理后的氣體通過氣體分配器均布后進入低溫等離子體反應器，以使每個低溫等離子體反應管中通過的氣體量大致相等，同時也使來自不同工段的廢氣進行充分混合，達到均質目的（見圖2）。

3、廢氣處理前后對比

低溫等離子體氧化反應器正常運行后，由第三方PONY譜尼測試集團廢氣檢測，檢測參照相關標準中規定的標準值。處理后廢氣中污染物的成分見表2。

表2低溫等離子處理前后廢氣成分對照表

4、處理效果及費用

采用“DDBD低溫等離子體技術+催化氧化技術”工藝處理該項目廢氣，異味去除率>99%。處理廢氣量3500m3/h，電耗0.003kW/Nm3，即處理1m3廢氣的費用僅為0.013元。