強電離放電羥基自由基降解有機廢氣VOCs實驗研究

朱穎+依成武+劉莎莎+王慧娟+李玨

摘 要 低溫等離子體法（NTP）被認為是目前降解揮發性有機氣體（VOCs）很有前途的方法。本文以乙酸乙酯、異丙醇為目標污染物，采用強電離放電低溫等離子體技術，分析了電壓、頻率以及氣體初始濃度等對有機氣體的降解效率影響規律。實驗結果表明，電壓在4.5kV、頻率為5.71kHz時，初始濃度為1500mg/m3的乙酸乙酯降解率可達85%，初始濃度為2400mg/m3的異丙醇降解率可達87%，從而表明強電離放電產生高濃度OH·可有效無害化降解VOCs。

關鍵詞 低溫等離子體 VOCs 強電離放電 羥基自由基 降解

中圖分類號：X505 文獻標識碼：A

世界衛生組織（WHO）對揮發性有機物的定義為：熔點低于室溫、沸點小于260℃，常溫下飽和蒸氣壓大于70.91Pa、并以氣態形式存在于空氣中的一類化合物的總稱。VOCs具有種類多、分布廣、毒性大、濃度低等特點。目前已鑒定出的有300 多種，最常見的有苯、乙酸乙酯、丙二醇、甲苯、甲醛等。

隨著工業發展和人們生活水平提高，石油化工、污水及垃圾處理、油漆噴涂等行業及生活中汽車發動機尾氣都是VOCs的主要來源，且排放量日益增加。因此，近年來有機廢氣的治理技術得到了大量的研究，在傳統技術不斷發展的基礎上，深入研究低溫等離子體法等新興技術。本文簡單總結了已有的VOCs治理技術，以異丙醇、乙酸乙酯為實驗對象，分析強電離放電實驗過程與結果，并對VOCs治理技術發展進行了展望。

1傳統技術

常見的VOCs處理技術可以分為回收類技術和銷毀類技術兩大類。回收類技術主要有吸附法、吸收法、生物膜分離法以及冷凝法；銷毀技術主要包括燃燒法、生物處理法和低溫等離子體法。

吸附技術是利用具有大比表面積的多孔狀結構吸附劑對污染物進行吸附，利用固體表面的分子吸收力與化學鍵力將污染物濃縮吸附在固體表面上，達到氣相分離的效果。燃燒法是利用部分污染物在一定溫度條件下易燃的特性，燃燒后使VOCs分解成CO2、H2O、HCl等無機物。生物處理技術是在VOCs作為碳源的條件下，利用微生物的新陳代謝過程將有機物降解轉化為簡單的無機物CO2、H2O及細胞物質等。冷凝法是利用VOCs在不同溫度和壓力下具有不同的飽和蒸氣壓，通過降低溫度和增加壓力，使處于蒸氣狀態的污染物凝結出來。

20世紀90年代后，光催化技術成為一項熱門研究。即以空氣為催化劑，在外界可見光作用下發生催化作用將VOCs降解的處理方法。但這些方法各有缺點，包括處理效果不明顯、運行費用高、吸附（吸收）劑再生困難、存在二次污染等。

2強電離放電技術

等離子體，是電子、離子、原子、分子、自由基等粒子的集合體。當其電子溫度高達上萬度，而離子或原子等粒子溫度只有幾百攝氏度或常溫時，稱為非平衡等離子體，即低溫等離子體。這類等離子體宏觀溫度較低，可使反應物分子在帶有高能量的、高電子溫度的化學場中激活，而外界不需提供能量，反應條件溫和。

介質阻擋放電、電暈放電、滑動電弧放電、輝光放電及射流放電等是氣體放電產生等離子體的主要方式，目前應用于大氣污染治理的主要為介質阻擋放電和電暈放電。強電離放電羥基自由基降解有機廢氣處理技術屬于等離子體凈化技術中的一種，由于采用大氣壓氣體強電離放電技術，使氣體電離產生的高能電子平均能量高達10eV，可高效規模化產生高濃度OH·等活性粒子，有效提高了有機廢氣的凈化效率（可達80%～90%）。

低溫等離子體技術與一般廢氣治理方法相比，效率高、能耗低、適用范圍廣、處理流程短，并對低濃度廢氣的去除具有獨特作用。因此，該項技術具有廣泛的市場應用前景，為有機廢氣治理提供了一種有效方法。

3實驗內容與方法

3.1主要試劑和儀器

3.1.1試劑

乙酸乙酯、異丙醇。

3.1.2等離子體反應裝置

本實驗使用的強電離等離子體發生裝置，其發生器反應室的有效容積為100mm€？90mm€？mm，電極板板間間隙為1mm，等離子體發生器采用軸流風機進行散熱。

3.1.3揮發性氣體配氣裝置

揮發性氣體的配氣裝置主要借助空氣壓縮機將一定量的空氣與揮發性有機氣體按照一定的比例混合后，在緩沖瓶內配成實驗用的所需的初始濃度的VOCs氣體。

3.1.4其他儀器

IQ1000型Mega-Gas有機氣體在線檢測儀；testo350M/XL型氣體多功能分析儀；Q3-V型電壓表；美國立科四通道500M帶寬數字示波器。

3.2實驗流程

將需要的揮發性有機物乙酸乙酯、異丙醇放入氣體預處理裝置后配成實驗用模擬氣體，而后用打開風機將模擬氣體吹入等離子體發生器反應氣室內，在其內部與等離子體發生化學反應后生成H2O，CO2，CO等氣體直接排出。實驗流程圖見圖1。

3.3樣品采集與分析

實驗采用IQ1000型Mega-Gas有機氣體在線檢測儀測定模擬煙氣中靶標污染物的含量；模擬氣體中的氣體溫度含濕量用testo350M/XL型氣體多功能分析儀測得；采用Q3-V型電壓表與美國立科四通道500M帶寬數字示波器測量等離子體反應器的外加電壓，電流，電頻率；氣體流量由玻璃轉子流量計直接讀出。

4結果分析

4.1電壓、頻率對于降解效率的影響

從圖2中可以看出，當乙酸乙酯進口濃度為1500mg/m3，異丙醇進口濃度為2400mg/m3，外加電源電壓相同時，電源電頻率越高，其凈化效率越高，電頻率與異丙醇的降解率呈正相關性。并且電壓在4.5kV，頻率為5.71kHz時，乙酸乙酯降解率可達85%，同樣異丙醇降解率可達87%。

但隨著電源頻率的變大，等離子發生器的熱量損失逐漸增加，直觀表現為頻率高的時候等離子發生器的散熱持續上升。在外加電場的頻率較低時，放電介質偶極子隨著交變場變化的時間充足，束縛電荷的建立與消除時間也比較充裕。此時的等離子發生器的放電能量與貯存能量相當，若不考慮電導損耗，介質作為能量存貯的主要場所，在極化時并不能使外加電源的能量產生額外的損耗，直接表現就是等離子發生器的溫度上升比較緩慢。

4.2氣體初始濃度對降解效率的影響

從圖3中可以看出，在電壓2.42kV、頻率5.71kHz、氣體流速0.8m3/h的條件下，隨著乙酸乙酯氣體初始濃度的提高（由1000mg/m3至1500mg/m3），降解率會下降，但絕對降解量會提高。同樣，在電頻率5.69kHz，電壓2.3kV，氣體流速0.8m3/h的條件下，異丙醇降解率下降，絕對降解量提高。這是因為當乙酸乙酯、異丙醇氣體濃度較低時，每個有機大分子都有較大幾率與高能電子發生非彈性碰撞，碰撞后有機大分子的長鍵會斷裂并產生相對較多的小分子或自由基碎片及周圍的活性粒子。而當氣體濃度較高時，大分子與高能電子發生非彈性碰撞的概率相對變小，并且長鍵斷裂后的自由基周邊的活性粒子也相對減少，所以隨著氣體濃度的增加，降解率降低，但絕對去除量提高。

5結語

低溫等離子體技術是由高能電子引起的化學反應，速度快且效率高。該技術具有廣泛適應性，不僅可以用于揮發性有機物去除，還可以對室內空氣進行凈化、用于惡臭治理、煙氣脫硫脫硝、餐飲油煙凈化和處理燃油尾氣等。

利用大氣壓強電場電離放電方法，規模高效產生羥基自由基降解VOCs，遵循了國際化學科學研究的前沿——綠色化學12條原則和國際環境科學研究前沿——高級氧化技術原則，可望實現有機廢氣污染物的快速、零污染、零傷害、零殘留藥劑的綠色治理。但目前該技術大多處于實驗室研發階段，亟待解決的問題包括尋找開發更優配置的等離子體反應器、與催化劑聯用并尋找更合適的催化劑、加強對作用機理及其反應動力學方面的研究等。通過多方面的研究改進，最終會使新興的低溫等離子體技術應用到工業生產中，為廢氣的治理提供現實可行的、經濟合理的處理方法。

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