低溫等離子體協(xié)同催化凈化廢氣的研究進展

1、低溫等離子體協(xié)同催化凈化廢氣的研究進展摘要:低溫等離子體-催化協(xié)同凈化技術是一項全新的處理技術,具有能耗低,處理效率高等優(yōu)點,在處理 VOCs、氮氧化物、機動車尾氣方面都有著廣闊的開展前景,但實際應用還很不成熟,需要加大力量進展更加深化的理論和理論研究,低溫等離子體協(xié)同催化凈化技術將在廢氣治理領域發(fā)揮重要的作用。關鍵詞: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)廣泛地產生于能源轉化、交通運輸、工業(yè)消費等過程中。國際條例加強了對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國際排放標準1。近年來興起的低溫等離子體催化(non-thermal plasma catalysis)技術解決了傳統(tǒng)的凈化方法所不能解決的問題。用該項技術處理有機廢氣具有以下優(yōu)點:能耗低,可在室溫下與催化劑反響,無需加熱,極大地節(jié)約了能源;使用便利,設計時可以根據(jù)風量變化以及現(xiàn)場條件進展調節(jié);不產生副產物,催化劑可選擇性地降解等離子體反響中所產生的副產物;不產生放射物;尤其適于處理有氣味及低濃度大風量的氣體。但以下兩方面還有待改進:對水蒸氣比較敏感,當水蒸氣含量高于5 %時,處理效率及效果將受到影響;初始設備投資較高。該項技術在環(huán)境污染物處理方面引起了人們的極大關注,

3、被認為是環(huán)境污染物處理領域中很有開展前途的高新技術之一。本文將討論其與污染氣體的作用過程及兩者協(xié)同作用機理,并概述這一技術在廢氣治理方面的進展。1 低溫等離子體技術原理與協(xié)同作用機理1.1 低溫等離子體技術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的第四種形態(tài)。其總正負電荷數(shù)相等宏觀上呈電中性,但具有導電和受電磁影響的性質,表現(xiàn)出很高的化學活性。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平衡狀態(tài),它主要應用于受控熱核

4、反響研究方面。低溫等離子體那么處于熱力學非平衡狀態(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生大量極活潑的高活性物種,這在普通的熱化學反響中不易得到,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,催化劑還可選擇性地促進等離子體產生的副產物反響, 得到無污染的物質。但是目前國內外在等離子體和催化協(xié)同作用機理方面的分析和研究比較少,在這方面的認識還遠遠不夠。2. 研究進展歐美和日本等國對低溫等離子體催化技術的研究開展得比較早,主要把該技術應用于脫硫脫硝、消除揮發(fā)性有機化合物、凈化

5、汽車尾氣、治理有毒有害化合物等方面。目前,很多國家的學術機構、政府和商業(yè)機構都在積極地開展此類研究。近年來,國內有很多學者在等離子體煙氣脫硫脫硝、汽車尾氣凈化、有機廢氣處理等方面獲得了較多實驗結果,在這方面的研究已比較成熟。3.1 處理VOCs進展Futamura S等2對有害大氣污染物(HAP)在低溫等離子體化學處理中金屬氧化物的催化活性進展了研究,在沒有MnO2作催化劑時,苯的摩爾轉化率為30%,而在有MnO2作催化劑時,苯的摩爾轉化率可以大大進步。Franeke K P等人3研究指出,在僅有催化劑時,20%的DCE(二氯乙烯)轉化成CO2;僅放電條件下,轉化70%的DCE;只有當兩者協(xié)同

6、作用時,有90%的 DCE被去除,并且CO2為主要氧化產物。秦張峰等4應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,當反響氣流速為50-500 mL/min,甲苯初始濃度為2000-20000 mg/m3時,甲苯去除率為70%-95%,脫除量可達110 mg/h。李鍛等5將雙極性脈沖高壓引入介質阻擋反響器對氯苯和甲苯的分解特性進展了實驗研究,而以馮春楊6、晏乃強7和黃立維8等人開展了脈沖電暈去除多種有機廢氣的研究,初始濃度為76.8 mg/m3,苯的去除率到達61.4%,并比照了線筒式和線板式二種反響器對甲苯的去除率,在以Mn、Fe等作為催化劑時,可使去除率

7、進步,催化劑活性的排序為MnFeCoTiNiPdCuV,在去除各種有機廢氣中,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 處理氮氧化合物進展Rajanikanth B S等9人對模擬氣體在等離子體放電催化中NOx的去除進展了實驗研究,指出介質填充床的存在可使NO在低電壓下有更高的去除效率。實驗對三種不同的催化劑(Al2O3、BaTiO3、Al2O3 + Pd)進展了討論,發(fā)現(xiàn)BaTiO3顆粒在氣體組成為NO、O2、N2以及NO在N2中時有更高的去除效率。在NO的初始濃度為265 mg/m3時,NO的去除效率幾乎到達99%。在模擬汽車尾氣(組成為NOO2CO2N2 )中,相

8、比其他介質,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 凈化機動車尾氣進展為實現(xiàn)美國環(huán)保局(EPA)提出的機動車尾氣中NOx必須復原90%以上的目的,等離子體協(xié)同的催化體系在治理機動車排氣方面有了很大進展。目前,用該項技術NOx的復原效率可到達65%以上,同時,該項技術還可脫除92%96%的顆粒物,去除甲醛40%以上。國內學者創(chuàng)造了一種后置式汽車尾氣凈化器,尾氣經錐體分散后進入電場的催化劑中,在低溫等離子體和催化劑的協(xié)同作用下,尾氣凈化率大大進步。該凈化器一方面可使催化劑活性增加,轉化率進步;另一方面可防止

9、催化劑燒結,從而降低汽車尾氣中有害氣體的排放。與現(xiàn)有技術相比,該凈化器具有以下優(yōu)點:將低溫等離子體技術與催化技術相結合,技術得到晉級;適用于各種車型,不受汽車的原始排放限制,不同于現(xiàn)有的三元催化裝置;沒有起燃溫度限制,對冷車啟動同樣有效,且適用范圍廣;構造緊湊,設計獨特、新穎。3. 展望低溫等離子體技術應用的可行性和條件試驗已較充分,也有了大量理論根底,已為這項工藝簡單、適用性強、流程短、能耗低、易于操作和自動化的新技術早日工業(yè)化打下了充分的根底。但在低溫等離子體技術與催化協(xié)同作用方面研究較少,是一項全新的處理技術,二者相結合,等離子體場產生高能量活性粒子,促進催化反響,減少能耗;催化主導反響

10、方向,讓反響具有選擇性,并能大大減少反響副產物,該技術被認為在處理VOCs、氮氧化物、機動車尾氣方面都有著廣闊的開展前景,但實際應用還很不成熟,必須投入足夠力量進展更加深化的理論和理論研究。參考文獻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阻擋放電降解氯苯和甲苯J. 中國環(huán)境科學 2006,26:2326.6 馮春楊,趙君科. 脈沖電暈技術在處理揮發(fā)性有機化合物中的應用研究J. 平安與環(huán)境學報, 2004,4(1):5961.9 Rajanikanth B S, Rout S. Studies on nitric oxide removal