低溫等離子體協(xié)同催化凈化廢氣的研究進(jìn)展

1、低溫等離子體協(xié)同催化凈化廢氣的研究進(jìn)展摘要:低溫等離子體-催化協(xié)同凈化技術(shù)是一項(xiàng)全新的處理技術(shù),具有能耗低,處理效率高等優(yōu)點(diǎn),在處理 VOCs、氮氧化物、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣方面都有著廣闊的開(kāi)展前景,但實(shí)際應(yīng)用還很不成熟,需要加大力量進(jìn)展更加深化的理論和理論研究,低溫等離子體協(xié)同催化凈化技術(shù)將在廢氣治理領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。關(guān)鍵詞:低溫等離子體;協(xié)同作用;大氣污染控制目前,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)生于能源轉(zhuǎn)化、交通運(yùn)輸、工業(yè)消費(fèi)等過(guò)程中。國(guó)際條例加強(qiáng)了對(duì)這些有害廢氣的限制。傳統(tǒng)的治理方法如液體吸收法、活性炭吸附法、燃

2、燒和催化氧化等已很難到達(dá)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)廢氣具有以下優(yōu)點(diǎn):能耗低,可在室溫下與催化劑反響,無(wú)需加熱,極大地節(jié)約了能源;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)展調(diào)節(jié);不產(chǎn)生副產(chǎn)物,催化劑可選擇性地降解等離子體反響中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物;不產(chǎn)生放射物;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):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;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,

3、被認(rèn)為是環(huán)境污染物處理領(lǐng)域中很有開(kāi)展前途的高新技術(shù)之一。本文將討論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)在廢氣治理方面的進(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?？煞譃楦邷氐入x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一樣,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?/p>

4、反響研究方面。低溫等離子體那么處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài),各種粒子溫度并不一樣。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)反響中不易得到,這些活性物種 (特別是高能電子)含有宏大的能量,可以引發(fā)位于等離子體附近的催化劑,并可降低反響的活化能。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)物反響, 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。2. 研究進(jìn)展歐美和日本等國(guó)對(duì)低溫等離子體催化技術(shù)的研究開(kāi)展得比較早,主要把該技術(shù)應(yīng)用于脫硫脫硝、消除揮發(fā)性有機(jī)化合物、凈化

5、汽車(chē)尾氣、治理有毒有害化合物等方面。目前,很多國(guó)家的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、政府和商業(yè)機(jī)構(gòu)都在積極地開(kāi)展此類(lèi)研究。近年來(lái),國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者在等離子體煙氣脫硫脫硝、汽車(chē)尾氣凈化、有機(jī)廢氣處理等方面獲得了較多實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在這方面的研究已比較成熟。3.1 處理VOCs進(jìn)展Futamura S等2對(duì)有害大氣污染物(HAP)在低溫等離子體化學(xué)處理中金屬氧化物的催化活性進(jìn)展了研究,在沒(méi)有MnO2作催化劑時(shí),苯的摩爾轉(zhuǎn)化率為30%,而在有MnO2作催化劑時(shí),苯的摩爾轉(zhuǎn)化率可以大大進(jìn)步。Franeke K P等人3研究指出,在僅有催化劑時(shí),20%的DCE(二氯乙烯)轉(zhuǎn)化成CO2;僅放電條件下,轉(zhuǎn)化70%的DCE;只有當(dāng)兩者協(xié)同

6、作用時(shí),有90%的 DCE被去除,并且CO2為主要氧化產(chǎn)物。秦張峰等4應(yīng)用低溫等離子體催化凈化甲苯廢氣,采用了含CuO、Pd、Pt 等活性組分的催化劑,當(dāng)反響氣流速為50-500 mL/min,甲苯初始濃度為2000-20000 mg/m3時(shí),甲苯去除率為70%-95%,脫除量可達(dá)110 mg/h。李鍛等5將雙極性脈沖高壓引入介質(zhì)阻擋反響器對(duì)氯苯和甲苯的分解特性進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)研究,而以馮春楊6、晏乃強(qiáng)7和黃立維8等人開(kāi)展了脈沖電暈去除多種有機(jī)廢氣的研究,初始濃度為76.8 mg/m3,苯的去除率到達(dá)61.4%,并比照了線筒式和線板式二種反響器對(duì)甲苯的去除率,在以Mn、Fe等作為催化劑時(shí),可使去除率

7、進(jìn)步,催化劑活性的排序?yàn)镸nFeCoTiNiPdCuV,在去除各種有機(jī)廢氣中,甲醛最易去除,二氯甲烷最難,甲苯、乙醇、丙酮那么處于其間。3.2 處理氮氧化合物進(jìn)展Rajanikanth B S等9人對(duì)模擬氣體在等離子體放電催化中NOx的去除進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)研究,指出介質(zhì)填充床的存在可使NO在低電壓下有更高的去除效率。實(shí)驗(yàn)對(duì)三種不同的催化劑(Al2O3、BaTiO3、Al2O3 + Pd)進(jìn)展了討論,發(fā)現(xiàn)BaTiO3顆粒在氣體組成為NO、O2、N2以及NO在N2中時(shí)有更高的去除效率。在NO的初始濃度為265 mg/m3時(shí),NO的去除效率幾乎到達(dá)99%。在模擬汽車(chē)尾氣(組成為NOO2CO2N2 )中,相

8、比其他介質(zhì),涂了Pd的Al2O3催化劑有更高的NO去除效率,在室溫下NO去除效率相當(dāng)于300甚至更高溫度下尾氣在慣常催化劑作用下的效率。3.3 凈化機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣進(jìn)展為實(shí)現(xiàn)美國(guó)環(huán)保局(EPA)提出的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中NOx必須復(fù)原90%以上的目的,等離子體協(xié)同的催化體系在治理機(jī)動(dòng)車(chē)排氣方面有了很大進(jìn)展。目前,用該項(xiàng)技術(shù)NOx的復(fù)原效率可到達(dá)65%以上,同時(shí),該項(xiàng)技術(shù)還可脫除92%96%的顆粒物,去除甲醛40%以上。國(guó)內(nèi)學(xué)者創(chuàng)造了一種后置式汽車(chē)尾氣凈化器,尾氣經(jīng)錐體分散后進(jìn)入電場(chǎng)的催化劑中,在低溫等離子體和催化劑的協(xié)同作用下,尾氣凈化率大大進(jìn)步。該凈化器一方面可使催化劑活性增加,轉(zhuǎn)化率進(jìn)步;另一方面可防止

9、催化劑燒結(jié),從而降低汽車(chē)尾氣中有害氣體的排放。與現(xiàn)有技術(shù)相比,該凈化器具有以下優(yōu)點(diǎn):將低溫等離子體技術(shù)與催化技術(shù)相結(jié)合,技術(shù)得到晉級(jí);適用于各種車(chē)型,不受汽車(chē)的原始排放限制,不同于現(xiàn)有的三元催化裝置;沒(méi)有起燃溫度限制,對(duì)冷車(chē)啟動(dòng)同樣有效,且適用范圍廣;構(gòu)造緊湊,設(shè)計(jì)獨(dú)特、新穎。3. 展望低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用的可行性和條件試驗(yàn)已較充分,也有了大量理論根底,已為這項(xiàng)工藝簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、流程短、能耗低、易于操作和自動(dòng)化的新技術(shù)早日工業(yè)化打下了充分的根底。但在低溫等離子體技術(shù)與催化協(xié)同作用方面研究較少,是一項(xiàng)全新的處理技術(shù),二者相結(jié)合,等離子體場(chǎng)產(chǎn)生高能量活性粒子,促進(jìn)催化反響,減少能耗;催化主導(dǎo)反響

10、方向,讓反響具有選擇性,并能大大減少反響副產(chǎn)物,該技術(shù)被認(rèn)為在處理VOCs、氮氧化物、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣方面都有著廣闊的開(kāi)展前景,但實(shí)際應(yīng)用還很不成熟,必須投入足夠力量進(jìn)展更加深化的理論和理論研究。參考文獻(xiàn)2 Futamura S, Zhang A H, Einaga H, etal. Involvement of catalyst materials in nonthermal plasma chemical processing of hazardous air pollutantsJ. Catalysis Today, 2002, 72:259-265.3 Francke K P, Miessner H, Rudolph R. Plasmacatalytic processes for environmental problemsJ. Catalysis Today, 2000, 59:411-416.5 李鍛, 劉明輝, 吳彥, 等. 雙極性脈沖高壓介質(zhì)阻擋放電降解氯苯和甲苯J. 中國(guó)環(huán)境科學(xué) 2006,26:2326.6 馮春楊,趙君科. 脈沖電暈技術(shù)在處理?yè)]發(fā)性有機(jī)化合物中的應(yīng)用研究J. 平安與環(huán)境學(xué)報(bào), 2004,4(1):5961.9 Rajanikanth B S, Rout S. Studies on nitric oxide removal