等離子體去除納米顆粒物研究

陸海全，汪 琦，姚水良

(1 安吉潤(rùn)風(fēng)空氣凈化科技有限公司，浙江 湖州 313000；2 浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；3 常州大學(xué)先進(jìn)等離子體催化技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164)

近年來(lái)，霧霾是國(guó)內(nèi)媒體的高頻詞，人們開始越來(lái)越關(guān)注顆粒物(PM)污染問題。有調(diào)查表明，人們?cè)谑覂?nèi)、室外和交通工具三類環(huán)境所處時(shí)間各占85%、7%和8%，可見室內(nèi)空氣質(zhì)量非常重要[1-3]。美國(guó)環(huán)保署已在1991年的調(diào)查報(bào)告就警告，許多民用和商用建筑的室內(nèi)空氣污染程度是室外的數(shù)倍至數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。依據(jù)近二十年來(lái)公開發(fā)表的調(diào)查報(bào)告，我國(guó)居民住宅、辦公場(chǎng)所、教室和醫(yī)院等普遍呈現(xiàn)出以甲醛、苯、揮發(fā)性有機(jī)物等為主的裝修型污染和來(lái)自室外大氣、烹飪和香煙煙霧的PM污染[4-10]。

對(duì)于室內(nèi)空氣中的PM，目前的凈化技術(shù)主要有機(jī)械過(guò)濾、靜電除塵、吸附、等離子體氧化等[11-13]。現(xiàn)有空氣凈化技術(shù)對(duì)直徑小于0.1 μm的顆粒凈化效果或存在效果不好或氣阻太大或運(yùn)行維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。本研究采用介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，簡(jiǎn)稱DBD)協(xié)同活性氧化鋁吸附技術(shù)，集放電和吸附優(yōu)點(diǎn)，有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)納米PM的凈化，同時(shí)具有去除效果好運(yùn)行維護(hù)成本低的特性，特別適合于室內(nèi)空氣的凈化。因此本研究探討了常溫常壓下活性氧化鋁的吸附，介質(zhì)阻擋放電，放電結(jié)合吸附的作用下分別在不同流量、頻率和電壓下對(duì)納米PM的去除效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置流程如圖1所示。本研究裝置由抽氣系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、PM發(fā)生系統(tǒng)、DBD反應(yīng)系統(tǒng)、放電檢測(cè)系統(tǒng)、PM濃度分析系統(tǒng)組成。

抽氣系統(tǒng)由電壓轉(zhuǎn)換器和流量為10 L/min的真空泵組成。流量控制系統(tǒng)由三路轉(zhuǎn)子流量計(jì)組成，一路為穩(wěn)定控制裝置內(nèi)部流通流量為2 L/min，一路為混合氣體，一路為排氣。PM發(fā)生系統(tǒng)由1根長(zhǎng)×內(nèi)徑×壁厚=600×60×5 mm的大石英管和煤油燃燒瓶組成。DBD反應(yīng)系統(tǒng)由DBD反應(yīng)器和高壓脈沖電源組成，放電檢測(cè)系統(tǒng)由電壓探頭和電流探頭及示波器組成，反應(yīng)器內(nèi)部填充陶瓷板，在陶瓷板中間留5 mm左右的間距填充活性氧化鋁小球。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1.2 DBD反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2顯示了實(shí)驗(yàn)中所使用的DBD反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)。DBD反應(yīng)器是由兩塊氧化鋁陶瓷板(115×115×1 mm3，96% Al2O3)，兩塊不銹鋼電極片(95×95×0.1 mm3)，四條有機(jī)玻璃墊片(兩條115×10×5 mm3，兩條115×10×2 mm3)以及填充的活性氧化鋁小球(Φ5 mm)所組成。本實(shí)驗(yàn)中所使用的DBD反應(yīng)器只有一個(gè)反應(yīng)通道。不銹鋼電極片，氧化鋁陶瓷板，有機(jī)玻璃墊片都被壓緊在不銹鋼反應(yīng)器中，活性氧化鋁小球填充在由有機(jī)玻璃墊片和氧化鋁陶瓷板所構(gòu)成的放電區(qū)域(即反應(yīng)空間)中，兩塊氧化鋁陶瓷板的上下兩端分別接有一片不銹鋼電極片，并依次分別接高壓端和接地。

圖2 DBD反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

抽氣泵提供動(dòng)力，空氣經(jīng)聚四氟乙烯燒結(jié)管過(guò)濾器過(guò)濾，去除直徑為10～350 nm的PM。氣流通過(guò)石英管將煤油燃燒產(chǎn)生的PM帶入大燒杯進(jìn)行冰浴除去燃燒產(chǎn)生的水，然后進(jìn)入DBD反應(yīng)器，由高壓脈沖電源供給DBD反應(yīng)器脈沖電壓，電壓探頭和電流探頭分別記錄放電電壓和電流波形，DBD反應(yīng)器出口氣體進(jìn)入PM檢測(cè)儀檢測(cè)分析氣體中PM的濃度。

由高壓脈沖電源注入到DBD反應(yīng)器中的放電能量P(W)由式(1)計(jì)算得出：

(1)

式中：Vi+1和Vi分別為放電時(shí)間為ti+1及ti時(shí)的電壓；Ii+1和Ii分別為放電時(shí)間為ti+1及ti時(shí)的電流；電壓Vi和Vi+1與電流Ii+1和Ii從放電電壓和放電電流波形中得到；f為脈沖頻率，Hz。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS+E)可以測(cè)得到氣體中PM數(shù)量濃度變化以及其相關(guān)的粒徑分布，將粒徑-PM濃度進(jìn)行積分計(jì)算后得到PM的數(shù)量濃度(個(gè)/cm3)，其中PM的去除率計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：X——PM的去除率，%

C0——處理之前的PM數(shù)量濃度，個(gè)/cm3

C——為處理之后的PM數(shù)量濃度，個(gè)/cm3

2 結(jié)果與討論

2.1 放電特性

圖3為本填充有直徑為5 mm氧化鋁球DBD反應(yīng)器的放電電壓波形圖以及放電電流波形圖，通過(guò)放電電壓和電流的波形可以得知注入放電空間的能量。圖3(a)顯示了DBD反應(yīng)器單脈沖放電電壓波形，電壓由一個(gè)正脈沖和一個(gè)負(fù)脈沖組成，正脈沖和負(fù)脈沖的電壓峰值分別是8.83 kV和-6.43 kV。圖3(b)為單脈沖放電電流波形，該電流波形中正脈沖和負(fù)脈沖的電流的峰值分別是0.095 A和-0.031 A。

圖3 典型的放電電壓及電流波形

根據(jù)所測(cè)得的電壓以及電流可以得到放電峰值電壓與注入能量的關(guān)系，如圖4所示。填充有5 mm氧化鋁球的DBD反應(yīng)器在當(dāng)電壓較低時(shí)，注入能量也較低，而且隨著電壓增大變化不明顯，但是當(dāng)電壓值達(dá)到起始放電電壓6 kV后，注入能量會(huì)隨著電壓的增大而快速上升，在放電電壓為9.32 kV時(shí)，注入能量為0.0066 mJ。

圖4 峰值電壓與注入能量的關(guān)系

2.2 活性氧化鋁小球?qū){米PM去除效果的影響

本研究分別對(duì)DBD反應(yīng)器中無(wú)填充活性氧化鋁球放電(單獨(dú)放電)、有填充活性氧化鋁球吸附(單獨(dú)吸附)和有填充活性氧化鋁球并且放電(吸附結(jié)合放電)的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖5得知，煤油燃燒后產(chǎn)生的PM直徑分布在15～150 nm，粒徑為50.09 nm時(shí)，PM濃度最高，達(dá)到3.4×106個(gè)/cm3。從圖6得知，當(dāng)沒有填充活性氧化鋁球，對(duì)模擬氣體進(jìn)行放電，放電間隙為5 mm時(shí)，放電電壓為9 kV納米PM總量去除率為19.58%；采用活性氧化鋁球填充于放電空間時(shí)，活性氧化鋁球通過(guò)表面多孔的吸附作用對(duì)于納米PM進(jìn)行吸附，總量的去除率為35.89%；當(dāng)調(diào)節(jié)放電電壓為9 kV，放電頻率50 Hz時(shí)，采用放電結(jié)合吸附的方法對(duì)煤油燃燒后氣體中產(chǎn)生的納米PM進(jìn)行處理，其去除率可高達(dá)93.59%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明當(dāng)單獨(dú)吸附或單獨(dú)放電時(shí)對(duì)煤油燃燒后氣體中納米PM總量的去除率并不是很高，但是當(dāng)采用放電結(jié)合吸附的方法處理后，納米PM的總量去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單獨(dú)放電和單獨(dú)吸附的簡(jiǎn)單相加，究其原因，可能是兩者發(fā)生了協(xié)同作用，使去除率大幅上升。

圖5 煤油燃燒產(chǎn)生的PM粒徑分布

圖6 三種不同情況下PM總量的去除率

2.3 不同放電頻率對(duì)納米PM去除效果的影響

本實(shí)驗(yàn)中將放電電壓保持在9 kV左右，氣體流量控制為2 L/min，對(duì)填充有5 mm氧化鋁球的DBD反應(yīng)器進(jìn)行不同頻率的脈沖放電。本實(shí)驗(yàn)中選取了脈沖頻率為25、50、75、100、125 Hz五個(gè)點(diǎn)，研究不同脈沖頻率下DBD反應(yīng)器對(duì)模擬氣體中納米PM去除率的影響。

圖7 不同頻率下PM總量的去除率

從圖7中可以得知，在放電電壓為9 kV，氣體流量為2 L/min不變的情況下，納米PM的去除率隨著頻率的增加變化不大，并且都在90%以上。

2.4 不同放電電壓對(duì)納米PM去除效果的影響

控制放電頻率為50 Hz，氣體流量控制為2 L/min，用放電電壓分別為7 kV、8 kV、9 kV、10 kV和11 kV來(lái)研究填充有5 mm氧化鋁球的DBD反應(yīng)器對(duì)模擬氣體中納米PM去除率的影響。

從圖8中可以得知，在放電頻率為50 Hz，氣體流量為2 L/min不變的情況下，納米PM的去除率隨著電壓的增加而上升。其原因可能是放電電壓增加，相應(yīng)注入反應(yīng)器能量增大，反應(yīng)器產(chǎn)生更多活性物質(zhì)與對(duì)納米PM中有機(jī)物顆粒進(jìn)行氧化，生成CO2和H2O，另外，在注入能量提高的情況下，納米PM帶電量高，更容易被吸附在氧化鋁球的空隙中。

圖8 放電電壓對(duì)PM去除率的影響

2.5 活性氧化鋁小球的電鏡掃描結(jié)果

圖9為反應(yīng)前后活性氧化鋁球的電鏡掃描結(jié)果，圖9(a)為反應(yīng)之前活性氧化鋁球的表面結(jié)構(gòu)，圖9(b)為反應(yīng)后活性氧化鋁球的表面結(jié)構(gòu)。從圖9(a)中可以看到，活性氧化鋁球的表面有許多孔隙，因此具有較大的比表面積，能夠吸附大量的納米PM，而放電除了能夠直接去除一些納米PM外，還能促進(jìn)活性氧化鋁球的吸附作用。從圖(b)中可以看到，經(jīng)反應(yīng)后由于吸附作用，活性氧化鋁球表面的一些孔隙中已經(jīng)被吸附的納米PM堵塞，活性氧化鋁球的吸附作用最主要就是來(lái)自于這些孔隙。因此對(duì)納米PM放電時(shí)，納米PM就更易被活性氧化鋁小球吸附，達(dá)到更好的去除效果

圖9 反應(yīng)前后活性氧化鋁球表面的電鏡掃描圖

3 結(jié) 論

本研究探究了介質(zhì)阻擋放電(DBD)技術(shù)結(jié)合吸附材料的吸附作用對(duì)空氣中納米PM的去除效果。并且探究了在不同實(shí)驗(yàn)條件下的去除效果。主要的研究結(jié)果如下：

(1)利用活性氧化鋁小球單獨(dú)吸附時(shí)吸附效果較差，單獨(dú)放電時(shí)的去除效果也較差，但是當(dāng)用活性氧化鋁小球吸附結(jié)合放電時(shí)的去除效果就能到90%以上，說(shuō)明了吸附結(jié)合放電能夠很好的去除納米PM。

(2)在不同脈沖頻率下去除率變化不大，說(shuō)明了脈沖頻率對(duì)吸附結(jié)合放電的納米PM去除效果影響不大。

(3)在不同電壓放電情況下，隨著電壓增大納米PM去除率也在上升，說(shuō)明了電壓越大去除效果越好。