低温等离子体催化降解有机废气的应用前景研究

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【摘  要】低温等离子体催化技术被认为是有机废气治理的高新技术之一。本文主要介绍了低温等离子体催化技术的理论基础和研究现状。低温等离子体催化技术具有操作简便、不产生副产物、处理效率高等优点，尤其适用于低浓度大风量的有机废气治理，具有广阔的应用前景。 

背 景  有机废气主要指挥发性有机化合物，挥发性有机化合物(volatile organic compounds,简称vocs)是指室温下饱和蒸汽压大于70.91pa，在空气中沸点在260℃以下的有机物。有机废气主要来源于石油化工、印刷、涂料和其他一些工艺。传统的vocs治理方法主要有吸附法、液体吸收法、冷凝法、吸附－催化燃烧法、光催化法和生物降解法等，但是这些传统的治理工艺在处理低浓度大风量的有机废气存在一些缺点和不足。近年来兴起的低温等离子体催化技术由于具有操作简便、投资少、处理效率高等优点，被广泛应用于低浓度大风量的有机废气治理。  1.低温等离子体的定义  等离子体就是处于电离状态的气体，其英文名称为plasma。等离子体是被称作除固态、液态和气态之外的第四种物质存在形态。它是由大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子（原子、激发态分子及光子）所组成的体系，因其总的正、负电荷数相等，故称为等离子体   根据等离子体的粒子温度，可以把等离子体分为两大类，即热平衡等离子体和非平衡等离子体。当电子温度te＝离子温度ti时，称为热平衡等离子体，简称为热等离子体。这类等离子体不仅电子温度高，其他粒子温度也高。当te>>ti时，称为非平衡态的等离子体。其电子温度可高达104k以上，而离子和原子之类等其他粒子温度却可低至300～500k，因此也叫做低温等离子体。  2.低温等离子体催化技术去除有机废气的机理  有研究指出[1]：对于有机物在低温等离子体中的氧化降解机理，反应主要有以下几个过程：（1）是低温等离子体中的高能电子与气体分子、原子发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子、原子的内能，发生激发、离解和电离等一系列过程，使气体处于活化状态；（2）在碰撞过程中产生了大量的o、oh、ho2等自由基和活性粒子及氧化性极强的o3，这些活性物种很容易与处于活化状态的气体发生化学反应。（3）o、oh、ho2与有机物分子、破碎的有机物分子基团、等发生一系列反应，有机物分子最终能被氧化降解为co、co2和h2o。  催化净化有机物属于多相催化作用。多相催化是发生在两相界面上的催化作用。通常催化剂为多孔固体，在多相催化反应中，有机物被吸附在固体催化剂表面，使反应物分子得到活化，降低了反应的活化能，而使反应速率加快。  低温等离子体催化与传统化学催化既有相似之处，也有其它特点。等离子体催化具有双重活化作用及等离子体－催化体系的协同作用，其作用机理极其复杂。低温等离子体催化协同净化有机废气的机制为：（1）有机物分子在高能电子的作用下形成各种自由基（o、oh、ho2）、带电中间体、小分子烃等；（2）在催化剂的作用下发生化学反应，由于催化作用有特殊的选择性，对相同的反应物，选择不同的催化剂就可以得到不同的产物。因此可以通过调整催化剂，控制有毒有害副产物的产生，使有机物分子降解为co2和h2o。  3.低温等离子体催化技术去除有机废气的国内外研究现状  李党生等[2]采用介质阻挡放电与催化剂(mno2，tio2)联用降解空气中低浓度的苯。介质阻挡放点协同催化降解苯的氧化产物为一氧化碳(co)和二氧化碳(co2)。添加mno2、tio2催化剂后，苯的降解效率得到较大的提高。研究发现苯的转化率随能量密度的增加而增加，当注入反应器的能量密度为1200j/l时，介质阻挡放电降解苯的降解效率约为50%，添加催化剂后苯的降解效率率可达到了92%。  魏长宽等[3]以苯系物作为处理对象，利用串齿线-筒体构成的等离子体反应器，以pt/al2o3或mn/al2o3催化剂置于等离子体区后，考察了苯系物转化率、cox产率和o3生成情况。结果表明，催化剂放在等离子体区后能大大提高苯系物的转化率，cox的选择性，减少臭氧的排放；认为放电产生的o3不仅参与催化氧化苯系物和co的反应，而且自身也在催化剂表面分解。  赵雷等[4]采用介质阻挡放电净化甲苯，分析了在改变电压、污染物入口质量浓度等参数后净化效率的变化。实验观察到副产物co浓度，随着甲苯浓度的增加而增加。通过在等离子体区添加催化剂tio2，可以提高甲苯的去除能力（由12g/m3增加到16g/m3），降低了co的产生量，使有机物更多地转化为无害的co2。  subrahmanyam等[5]制备了以石英管为介质的介质阻挡放电反应器，以负载了过渡金属的烧结金属纤维作为内电极，通过负载不同的催化剂（mn，ti，co）降解甲苯、异丙醇、三氯乙烯。实验结果表明，增加电压和频率都可以提高能量密度，从而提高有机废气的去除效率和cox的选择性。  4.结语  随着生活水平的提高，人们对大气环境质量的要求日益提，挥发性有机废气带来的污染已受到普遍关注。低温等离子体催化技术理论研究上已经被证实了是去除vocs的最有效方法之一，特别是在处理低浓度大气量的气体，具有广阔的应用前景。  参考文献  [1]黄立维等.高压脉冲电晕法治理有机废气实验研究.环境污染与防治,第20卷，第1期，1998年2月：4-7  [2]李党生,冯涛,姚水良.低温等离子体与催化剂联用降解空气中低浓度的苯[j].环境科学与技术, 2007, 30(10): 65-67  [3]魏长宽,朱天乐,樊星等.非热等离子体与催化相结合去除气相低浓度苯系物[j].环境科学学报, 2008, 28(4) : 676-680  [4]赵雷,周中平.低温等离子体技术净化空气中的甲苯.环境科学研究.2006,19(4):70 – 73  [5]subrahmanyam c.; renken a.; kiwi-minsker l. novel catalytic non-thermal plasma reactor for the abatement of vocs[j]. chemical engineering journal, 2007, 134(1-3):78-83