四氯乙烯和間二甲苯混合降解的實(shí)驗(yàn)研究

四氯乙烯和間二甲苯混合降解的實(shí)驗(yàn)研究

蒸發(fā)有機(jī)化合物（vocs）是原油、化工、印刷、制鞋、噴漆等行業(yè)最常見(jiàn)的氣污染物。這些化合物通常具有毒性，其中一些對(duì)人類(lèi)的危害嚴(yán)重。與以往的處理技術(shù)相比，近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的低溫輻射離子處理技術(shù)具有簡(jiǎn)單的工藝和低能耗的特點(diǎn)。對(duì)于低濃度的vocs投降，具有良好的處理效果。目前，相關(guān)研究主要集中在單一成分的vocs上，關(guān)于各種氣的vocs氧化物的研究很少。然而，工業(yè)有機(jī)廢水通常是各種有機(jī)污染物的混合體，氣體成分相對(duì)復(fù)雜。因此，對(duì)各種混合態(tài)vocs污染物的分解研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。將50Hz工頻交流高壓引入無(wú)聲放電介質(zhì)阻擋反應(yīng)器,通過(guò)改變反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)條件及供電參數(shù)對(duì)四氯乙烯/間二甲苯混合氣體的降解特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.考察了兩種高壓電極結(jié)構(gòu)、不同電極間距、放電電壓、放電功率對(duì)混合氣體降解率、降解效率的影響,并與單一組分污染物的降解特性進(jìn)行了比較,探討了混合氣體在放電等離子體環(huán)境中同時(shí)去除的可能性.1實(shí)驗(yàn)方法1.1反應(yīng)器放電特性配氣系統(tǒng)將初始體積分?jǐn)?shù)分別設(shè)為0.02%/0.02%,總流量為0.5L/min的四氯乙烯/間二甲苯混合氣體引入反應(yīng)器(填充氣體為空氣);反應(yīng)器的接地電極和高壓電極由50Hz交流高壓電源(0～32kV)供電;高壓放電后的分解特性由氣相色譜儀(SRI8610C)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器進(jìn)口/出口濃度;利用數(shù)字示波器TDS2024B(采樣速率2Gs/s,帶寬200MHz)、脈沖電壓探頭HV-P60和脈沖電流探頭P6021對(duì)放電特性進(jìn)行觀測(cè);放電功率采用李薩如圖形法進(jìn)行測(cè)量.1.2金屬網(wǎng)狀外電極反應(yīng)器(如圖1)為一根直徑可調(diào).有效長(zhǎng)度250mm的石英玻璃管,其外壁設(shè)有長(zhǎng)度為200mm的金屬網(wǎng)狀外電極(接地電極).內(nèi)電極采用直徑5mm不銹鋼棒和直徑4.8mm帶螺紋的不銹鋼棒作為2種形式的高壓電極;此外,實(shí)驗(yàn)還選用3種不同直徑的石英玻璃管,以便調(diào)節(jié)電極間距(高壓電極外側(cè)到地電極的距離),石英玻璃管尺寸與電極間距的關(guān)系如表1所示.2結(jié)果與討論2.1不銹鋼棒電極降解四氯乙烯為了比較無(wú)聲放電系統(tǒng)對(duì)混合氣態(tài)污染物的降解作用,實(shí)驗(yàn)先考察了2種不同高壓電極結(jié)構(gòu)對(duì)單一組分氣態(tài)污染物降解特性.四氯乙烯、間二甲苯降解率隨施加電壓、放電功率以及2種不同高壓電極結(jié)構(gòu)的改變特性如圖2,圖3所示.2種氣體的初始體積分?jǐn)?shù)均為0.02%,流量為0.5L/min,電極間距為5mm,停留時(shí)間為11.9s.隨著峰值電壓增大,2種氣體的降解率也隨之增加,當(dāng)加至18.8kV時(shí),不銹鋼棒電極對(duì)四氯乙烯的最大降解率可達(dá)76%/間二甲苯為91%;而螺紋電極同電壓時(shí),對(duì)于四氯乙烯降解率為50%/間二甲苯為78%.從反應(yīng)器的輸入功率來(lái)看,螺紋鋼棒電極場(chǎng)合,最大的輸入功率可達(dá)3.8W,不銹鋼棒電極的最大輸入功率為3.5W.雖然螺紋鋼棒電極較有利于能量的注入,然而就降解效率而言,螺紋電極時(shí),四氯乙烯降解的能量效率為5.6g/(kW·h)/間二甲苯的為5.7g/(kW·h);而不銹鋼棒電極時(shí)的能量效率可分別達(dá)到9.7g/(kW·h)和7.4g/(kW·h).觀測(cè)發(fā)現(xiàn)相同電壓下螺紋電極放電集中在螺紋邊緣處,而不銹鋼電極則比較均勻地分布于整個(gè)反應(yīng)空間內(nèi),可使高能電子和活性粒子均勻地分布在整個(gè)放電空間,從而與污染物的碰撞幾率比螺紋電極的要大,促進(jìn)了化學(xué)降解反應(yīng),使得降解效果更為明顯.另一方面,同等條件下,間二甲苯的降解率要高于四氯乙烯.這可能與間二甲苯中C6H5—CH3鍵能(389kJ/mol,相當(dāng)于4.02eV)小于四氯乙烯中的C—Cl鍵能(400kJ/mol,4.13eV)有關(guān).Urashima和Yamamoto通過(guò)對(duì)三氯乙烯和甲苯等VOCs氣體的降解研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)物分子鍵的鍵能和活性粒子的能量決定有機(jī)物被降解的能力,鍵能越大,越不容易被降解.2.2間二甲苯和四氯乙烯將體積分?jǐn)?shù)各為0.02%的間二甲苯/四氯乙烯混合氣(填充氣體為空氣),總流量為0.5L/min引入反應(yīng)器,其他實(shí)驗(yàn)條件同“2.1節(jié)”.混合污染物的降解率隨不同高壓電極、電壓的變化特性如圖4所示.除了可以得到與單獨(dú)處理時(shí)相似的結(jié)論外,還發(fā)現(xiàn)混合氣體中四氯乙烯的降解率比單獨(dú)降解時(shí)有大幅的下降.單獨(dú)處理時(shí)四氯乙烯最高降解率可達(dá)76%(不銹鋼棒電極)和59%(螺紋鋼棒電極),而在有間二甲苯存在的情況下,最高降解率下降到了27%(不銹鋼棒電極)和20%(螺紋鋼棒電極).間二甲苯受四氯乙烯的影響則并不明顯,其降解率僅比單獨(dú)處理時(shí)下降了2%(不銹鋼棒電極)和15%(螺紋鋼棒電極).Sugasawa等利用電介質(zhì)填充床放電對(duì)二氯甲烷和甲苯混合氣體進(jìn)行降解時(shí)發(fā)現(xiàn)它們的降解效率與單獨(dú)處理時(shí)并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化.但本實(shí)驗(yàn)中四氯乙烯的降解受間二甲苯的影響卻非常大,雖然其降解抑制原因,尚不清楚,有待進(jìn)一步研究,但它說(shuō)明氣態(tài)混合物VOCs在放電等離子體環(huán)境中其降解特性受氣體組分的不同而有較大影響.2.3電極間距和放電能量對(duì)vocs降解的影響反應(yīng)器的電極間距和空間配置對(duì)于氣態(tài)有機(jī)污染物的降解特性密切相關(guān),間二甲苯/四氯乙烯混合氣在不同電極間距下,其降解率與峰值電壓的依存特性如圖5所示.高壓電極為不銹鋼棒電極,其他實(shí)驗(yàn)條件同“2.2節(jié)”.電極間距由5mm增大到7.5mm和10mm后,氣體的停留時(shí)間由11.9s相應(yīng)地增大到了19.8s和28.3s.相同峰值電壓18.8kV下,電極間距為7.5mm時(shí),對(duì)四氯乙烯/間二甲苯的降解率由5mm的27%/89%下降到12%/46%,電極間距增大到10mm時(shí),降解率下降到3%和15%.雖然電極間距增大,污染物在放電區(qū)內(nèi)的滯留時(shí)間相應(yīng)增加,有利于VOCs的降解反應(yīng),但是另一方面,相同電壓下放電功率隨電極間距加大而降低,而放電能量對(duì)VOCs的降解效果影響較大.當(dāng)提高峰值電壓時(shí),反應(yīng)器的注入能量相應(yīng)增加,電極間距為7.5mm/10mm的條件下,峰值電壓為21.2kV/26kV時(shí),反應(yīng)器分別達(dá)到最大放電功率5.0W/7.5W,混合氣降解率可達(dá)20%(四氯乙烯)/81%(間二甲苯)和16%/73%,能量效率達(dá)6.4g/(kW·h)和3.3g/(kW·h)(見(jiàn)表2).由此可見(jiàn),在本實(shí)驗(yàn)條件下,電極間距增大后,雖然提高了峰值電壓,但混合VOCs的降解效果仍低于電極間距為5mm,峰值電壓為18.8kV的場(chǎng)合.這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明混合VOCs的降解特性還與放電等離子區(qū)的平均放電功率密度密不可分.根據(jù)本實(shí)驗(yàn)條件推算,電極間距為5mm/7.5mm/10mm反應(yīng)器的最大放電功率所對(duì)應(yīng)的放電區(qū)平均功率密度分別為155W/L,121W/L,115W/L.放電功率密度越大,VOCs的降解效果越好,因此,向反應(yīng)器有效注入放電能量,提高放電區(qū)的平均注入功率密度,對(duì)于改善VOCs的去除效果具有非常重要的意義.3間二甲苯和不銹鋼棒高壓電極對(duì)放電等離子體環(huán)境的降解作用實(shí)驗(yàn)通過(guò)建立一個(gè)氣態(tài)混合VOCs配氣系統(tǒng),將四氯乙烯/間二甲苯混合氣引入無(wú)聲放電反應(yīng)器,施加工頻正弦交流高壓,并改變反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)以及空間配置,對(duì)氣態(tài)混合VOCs降解特性進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該無(wú)聲放電系統(tǒng)對(duì)氣態(tài)混合VOCs污染物具有明顯的分解作用,其降解特性如下:1)氣態(tài)混合物VOCs在放電等離子體環(huán)境中的降解特性與氣體組分有關(guān).與單一組分污染物的降解特性相比,四氯乙烯受混合氣體的影響較大,最大降解率由單一組分時(shí)的76%下降到了27%.而間二甲苯的最高降解率則基本保持在90%左右.2)調(diào)整電極間距可以改變放電區(qū)域的注入功率密度,高壓電極結(jié)構(gòu)相同時(shí),放電功率密度越大,VOCs的降解效果越好.實(shí)驗(yàn)中電極間