介質(zhì)阻擋放電分解正烷烴研究.pdf

1、介質(zhì)阻擋放電(DBD)技術(shù)廣泛應(yīng)用于去除揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的研究。以往的研究主要集中在以苯、甲苯和二甲苯等芳香族化合物及甲醛和三氯乙烯等烴類衍生物為模擬化合物的分解研究。然而在實(shí)際大氣環(huán)境中，烷烴類才是占總揮發(fā)性有機(jī)化合物(TVOCs)比例最大的一類VOCs，但采用DBD技術(shù)對(duì)其分解去除的研究較少。雖然DBD能有效去除VOCs，但在去除VOCs的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的氣溶膠，造成二次污染，嚴(yán)重污染環(huán)境和危害人體健康。因此，迫切需要開

2、發(fā)一種既能有效去除烷烴類VOCs，又不產(chǎn)生氣溶膠等二次污染的DBD技術(shù)。本研究的研究目的在于搞清烷烴類VOCs分解特性的基礎(chǔ)上開發(fā)既能有效去除烷烴類VOCs，又不產(chǎn)生氣溶膠等二次污染的DBD技術(shù)。首先，本研究采用管式DBD反應(yīng)器分解正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷和正癸烷，分別探討了比能量密度(SED)和初始濃度對(duì)它們分解的影響，建立了烷烴分解動(dòng)力學(xué)模型。利用氣相色譜(GC)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)和臭氧(O3)分析儀對(duì)它們的

3、分解產(chǎn)物進(jìn)行了在線分析，探討了正烷烴分解機(jī)理;然后，本研究又采用無球(None)和填充石英球(Q balls)、少孔球(LP balls)及活性Al2O3球(PA balls)的平板式DBD反應(yīng)器分解正己烷，利用GC、GC-MS、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、顆粒物粒徑分析儀(SMPS)和O3分析儀對(duì)其分解產(chǎn)物和顆粒物排放特性進(jìn)行了分析，探討了顆粒物成分和去除機(jī)理。主要結(jié)果總結(jié)如下:
　　(1) DBD分解正烷烴的轉(zhuǎn)化率隨SED的

4、增加而升高，隨初始濃度的增加而減小;當(dāng)SED為211.2 J/L，正辛烷初始濃度為80.4ppmv時(shí)，轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)96.5％。能量效率隨SED的增加而減小，隨初始濃度的增加而增大;當(dāng)SED為62.5 J/L，正辛烷初始濃度為343.4 ppmv時(shí)，能量效率最大，為0.39 mol/kWh。
　　(2)建立了一個(gè)分解動(dòng)力學(xué)模型，烷烴的分解速度跟烷烴的初始濃度的α次方，放電功率的β次方成正比。計(jì)算得到含碳個(gè)數(shù)為6、7、8、9和10的

5、正烷烴，其α值分別為0.495、0.89、0.659、0.73和0.52;β值分別為-0.264、-0.232、-0.198、-0.339和-0.503;發(fā)現(xiàn)β值與正烷烴分子含碳個(gè)數(shù)成線性關(guān)系。經(jīng)兩種不同途徑計(jì)算得到的五種正烷烴反應(yīng)速率常數(shù)是一致的，說明該動(dòng)力學(xué)模型是可接受的。
　　(3)通過GC與GC-MS對(duì)正烷烴分解產(chǎn)物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，正烷烴分解形成的主要產(chǎn)物為CO2、CO及含氧碳?xì)浠衔铮ㄈ珉p鍵氧在2、3和4位碳上的酮類）。這

6、些含氧碳?xì)浠衔镉捎谄浞悬c(diǎn)高于正烷烴且熔點(diǎn)高于室溫而可以以液態(tài)氣溶膠的形式存在。
　　(4)正烷烴分解機(jī)理如下:正烷烴在電子轟擊作用下形成烷烴自由基(如·C9H19)，烷烴自由基被活性O(shè)原子氧化形成雙鍵氧在不同位置的酮類和其它含氧碳?xì)浠衔?，或者進(jìn)一步脫氫形成烯烴和含碳個(gè)數(shù)更少的烷烴自由基，含碳個(gè)數(shù)更少的烷烴自由基又可經(jīng)過一系列β鍵斷裂反應(yīng)分解形成小分子烷烴自由基（如·CH3和·C2H5），烯烴和小分子自由基再被活性粒子氧化形成C

7、O和CO2。
　　(5)通過SMPS、FTIR和GC-MS對(duì)正己烷在四種不同DBD反應(yīng)器中分解生成的顆粒物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，無球的DBD反應(yīng)器的顆粒數(shù)量濃度曲線有三個(gè)峰值，分別在22.7、51.4和100.9 nm處，總顆粒數(shù)量濃度達(dá)106數(shù)量級(jí);填充石英球的DBD反應(yīng)器的顆粒數(shù)量濃度曲線有兩個(gè)峰值，分別在20.8和56.5 nm處，總顆粒數(shù)量濃度與無球的DBD反應(yīng)器相接近;填充少孔球的DBD反應(yīng)器的顆粒數(shù)量濃度曲線在68.24和21

8、3.77 nm處也有兩個(gè)峰值，總顆粒數(shù)量濃度為104數(shù)量級(jí);而填充活性Al2O3球的DBD反應(yīng)器分解正己烷所生成的總顆粒物數(shù)量濃度僅33～83＃/cm3，單個(gè)粒徑下最多不超過15＃/cm3;顆粒物的主要成分為2-己酮和3-己酮，以及其它少量含氧碳?xì)浠衔铩?br>　　(6)填充活性Al2O3球的DBD反應(yīng)器是一種能高效分解正己烷同時(shí)減少顆粒物排放的DBD反應(yīng)器。用它分解正己烷的轉(zhuǎn)化率和能量效率均高于其它三種反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率和能量效率，最高

9、分別可達(dá)78.6％和0.15 mol/kWh;而且這種DBD反應(yīng)器可以同時(shí)有效減少10～1000 nm粒徑范圍內(nèi)液態(tài)顆粒物的排放，其排放的顆粒物總數(shù)量濃度比其它反應(yīng)器低2～5個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　(7)通過在無球的DBD反應(yīng)器下游放置一個(gè)只填充活性Al2O3球而不放電的反應(yīng)器來考察顆粒物排放情況，并結(jié)合BET表征和SEM結(jié)果可知，填充活性Al2O3球的DBD反應(yīng)器分解正己烷同時(shí)去除氣溶膠的機(jī)理為:活性Al2O3球具有較大的比表面積和大量