低溫等離子體耦合催化去除揮發(fā)性有機(jī)物的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)因VOCs排放而引起的大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。目前常用于有機(jī)廢氣處理的技術(shù)包括：冷凝、溶液吸收、吸附、膜分離、生物處理、燃燒法、臭氧氧化、光催化等，然而這些技術(shù)很難同時(shí)對(duì)多組分VOCs進(jìn)行消除。相比之下，低溫等離子體技術(shù)可以在常溫條件下同時(shí)降解不同類(lèi)型VOCs，并且具有良好的去除效率和相對(duì)較高的能量利用率。然而該技術(shù)卻存在著副產(chǎn)物多、CO2選擇性差的缺點(diǎn)。
　　本文首先研究了單獨(dú)等離子體去除VOCs的性能，試

2、圖通過(guò)物理參數(shù)的優(yōu)化，降低其副產(chǎn)物的排放。文章著重聚焦于尋找高效的催化劑與等離子耦合，以彌補(bǔ)單獨(dú)等離子體的不足，并分別以水熱法合成了不同晶型的MnO2催化劑、以回流-離子交換法合成了M’-OMS-2催化劑，考察了各催化劑對(duì)等離子降解VOCs性能及副產(chǎn)物產(chǎn)出的影響，同時(shí)通過(guò)XRD、TEM、BET、FTIR、TPR、TPD等表征手段，對(duì)等離子催化耦合的機(jī)理進(jìn)行了討論。本文最后將高壓靜電場(chǎng)與鈷錳復(fù)合金屬氧化物催化劑Co-MnOx相結(jié)合，在模擬

3、室內(nèi)環(huán)境下對(duì)顆粒物有效去除的同時(shí)，利用副產(chǎn)物臭氧對(duì)甲醛進(jìn)行了催化氧化。
　　研究表明，對(duì)于單獨(dú)等離子體去除VOCs，其去除效果與電源匹配密切相關(guān)。等離子的功率越高，VOCs的降解效率越高，但副產(chǎn)物也越多；功率較低時(shí)，雖然可以有效避免副產(chǎn)物的產(chǎn)生，但VOCs的去除率也會(huì)降低。因此，需要為等離子體選擇一個(gè)合理的電源參數(shù)。
　　從理論上分析，等離子體中的電子能量分布滿(mǎn)足Maxwell方程，因此部分電子可以打開(kāi)N≡N，并在含氧條件下

4、反應(yīng)生成NOx；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等離子體的副產(chǎn)物NOx不完全來(lái)自于氮?dú)馀c氧氣間的放電反應(yīng)，也有一部分由含氧VOCs中的氧碎片與活性氮物種結(jié)合而生成。因此單獨(dú)等離子體降解VOCs很難避免NOx的生成。低電壓下，等離子產(chǎn)生的NOx主要為激發(fā)型；而輸入高電壓時(shí)，NOx的形成機(jī)理逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃π?。等離子降解乙醛時(shí)，其CO2的選擇性并不高，主要原因在于硝基甲烷、有機(jī)胺、乙酸、一氧化碳等中間產(chǎn)物的產(chǎn)生。
　　水熱法合成的三種晶型MnO2催化劑與

5、低溫等離子體耦合時(shí)，均具有較高的VOCs去除效率，同時(shí)催化劑的耦合降低了等離子體產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物。其中α-MnO2/Al2O3與等離子體耦合的效果最好。根據(jù)催化劑表征的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，α-MnO2良好的催化活性來(lái)自于其表面豐富的羥基基團(tuán)、較高的比表面積和較強(qiáng)的氧物種移動(dòng)性。
　　在等離子催化反應(yīng)中，耦合方式、VOCs初始濃度、反應(yīng)流量及催化劑用量均會(huì)影響其降解VOCs的性能與副產(chǎn)物產(chǎn)量；當(dāng)催化劑為臭氧分解型催化劑時(shí)，外置式耦合方式優(yōu)

6、于內(nèi)置式；VOCs初始濃度的增加不利于等離子催化對(duì)有機(jī)物的降解，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生更多的NOx；反應(yīng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，催化劑的加入沒(méi)有引起等離子反應(yīng)級(jí)數(shù)的變化，但是卻顯著提高了反應(yīng)的速率；選擇適中的流量條件有利于保證VOCs高去除率的同時(shí)只形成少量副產(chǎn)物；而催化劑用量的增加可以提高等離子體耦合催化的效果。
　　回流-離子交換法合成的M’-OMS-2催化劑與等離子耦合時(shí)性能優(yōu)于MnO2，并且具有良好的穩(wěn)定性。在所有 M’-OMS-2催化劑中

7、，Co-OMS-2活性最高，其主要原因在于：鈷與錳的離子半徑更為接近，更容易取代催化劑表面的錳而形成表面氧缺陷，從而有利于臭氧及活性氧物種的捕集；同時(shí)，該材料比表面積大，氧物種較多，進(jìn)而有助于促進(jìn)臭氧與VOCs間的反應(yīng)。Co-OMS-2催化劑對(duì)等離子降解乙醛時(shí)CO2選擇性的提高并不顯著，主要是因?yàn)槠鋵⒁宜岬戎虚g產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為CO，而沒(méi)有使之繼續(xù)氧化。
　　借鑒等離子催化技術(shù)的方法和思路，將高壓靜電場(chǎng)與鈷錳復(fù)合金屬氧化物催化劑Co-Mn