低溫等離子體協(xié)同催化凈化廢氣的研究

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空氣凈化技術(shù):目前,各種有毒有害氣體的排放已造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。低濃度有害氣態(tài)污染物(如SO2、NOx、VOCs、H2S 等)廣泛地產(chǎn)生于轉(zhuǎn)化、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)等過(guò)程中。國(guó)際條例加強(qiáng)了對(duì)這些有害的限制。傳統(tǒng)的治理方法如液體吸收法、活性炭吸附法、焚燒和催化氧化等已很難達(dá)到國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。

近年來(lái)興起的低溫等離子體催化(non-thermal plasma catalysis)技術(shù)解決了傳統(tǒng)的凈化方法所不能解決的問(wèn)題。用該項(xiàng)技術(shù)處理有機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):①能耗低,可在室溫下與催化劑反應(yīng),無(wú)需加熱,極大地節(jié)約了;②使用便利,設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)風(fēng)量變化以及現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)節(jié);③不產(chǎn)生副產(chǎn)物,催化劑可選擇性地降解等離子體反應(yīng)中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物;④不產(chǎn)生放射物;⑤尤其適于處理有氣味及低濃度大風(fēng)量的氣體。但以下兩方面還有待改進(jìn):①對(duì)水蒸氣比較敏感,當(dāng)水蒸氣含量高于5 %時(shí),處理效率及效果將受到影響;②初始設(shè)備投資較高。該項(xiàng)技術(shù)在環(huán)境污染物處理方面引起了人們的極大關(guān)注,被認(rèn)為是環(huán)境污染物處理領(lǐng)域中很有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一。本文將探討其與污染氣體的作用過(guò)程及兩者協(xié)同作用機(jī)理,并概述這一技術(shù)在治理方面的進(jìn)展。

1 低溫等離子體技術(shù)原理與協(xié)同作用機(jī)理 

1.1 低溫等離子體技術(shù)原理

等離子體是含有大量電子、離子、分子、中性原子、激發(fā)態(tài)原子、光子和自由基等組成的物質(zhì)的第四種形態(tài)。其總正負(fù)電荷數(shù)相等宏觀上呈電中性,但具有導(dǎo)電和受電磁影響的性質(zhì),表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。根據(jù)體系能量狀態(tài)、溫度和離子密度,等離子體通常可分為高溫等離子體和低溫等離子體(包括熱等離子體和冷等離子體)。高溫等離子體的電離度接近,各種粒子的溫度幾乎相同,并且體系處于熱力學(xué)平衡狀態(tài),它主要應(yīng)用于受控?zé)岷朔磻?yīng)研究方面。低溫等離子體則處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài),各種粒子溫度并不相同。

低溫等離子體可通過(guò)前沿陡、脈寬窄(納秒級(jí))的高壓脈沖放電在常溫常壓下獲得,其中的高能電子和O、 OH等活性粒子可與各種污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等發(fā)生作用,轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、N2、S、 SO2等無(wú)害或低害物質(zhì),從而使廢氣得到凈化。它可促使一些在通常條件下不易進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行,甚至在極短時(shí)間內(nèi)完成,故屬低濃度VOCs治理的前沿技術(shù)。

1.2 協(xié)同作用機(jī)理

低溫等離子體和催化協(xié)同作用處理廢氣的主要原理如下:等離子體中可源源不斷地產(chǎn)生大量極活潑的高活性物種,這在普通的熱化學(xué)反應(yīng)中不易得到,這些活性物種(特別是高能電子)含有巨大的能量,可以引發(fā)位于等離子體附近的催化劑,并可降低反應(yīng)的活化能。同時(shí),催化劑還可選擇性地促進(jìn)等離子體產(chǎn)生的副產(chǎn)物反應(yīng),得到無(wú)污染的物質(zhì)。但是目前國(guó)內(nèi)外在等離子體和催化協(xié)同作用機(jī)理方面的分析和研究比較少,在這方面的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。