【摘要】：隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,我國因VOCs排放而引起的大氣污染問題日益嚴(yán)重。目前常用于有機(jī)廢氣處理的技術(shù)包括:冷凝、溶液吸收、吸附、膜分離、生物處理、燃燒法、臭氧氧化、光催化等,然而這些技術(shù)很難同時(shí)對多組分VOCs進(jìn)行消除。相比之下,低溫等離子體技術(shù)可以在常溫條件下同時(shí)降解不同類型VOCs,并且具有良好的去除效率和相對較高的能量利用率。然而該技術(shù)卻存在著副產(chǎn)物多、CO_2選擇性差的缺點(diǎn)。本文首先研究了單獨(dú)等離子體去除VOCs的性能,試圖通過物理參數(shù)的優(yōu)化,降低其副產(chǎn)物的排放。文章著重聚焦于尋找高效的催化劑與等離子耦合,以彌補(bǔ)單獨(dú)等離子體的不足,并分別以水熱法合成了不同晶型的MnO_2催化劑、以回流-離子交換法合成了M’-OMS-2催化劑,考察了各催化劑對等離子降解VOCs性能及副產(chǎn)物產(chǎn)出的影響,同時(shí)通過XRD、TEM、BET、FTIR、TPR、TPD等表征手段,對等離子催化耦合的機(jī)理進(jìn)行了討論。本文最后將高壓靜電場與鈷錳復(fù)合金屬氧化物催化劑Co-Mn Ox相結(jié)合,在模擬室內(nèi)環(huán)境下對顆粒物有效去除的同時(shí),利用副產(chǎn)物臭氧對甲醛進(jìn)行了催化氧化。研究表明,對于單獨(dú)等離子體去除VOCs,其去除效果與電源匹配密切相關(guān)。等離子的功率越高,VOCs的降解效率越高,但副產(chǎn)物也越多;功率較低時(shí),雖然可以有效避免副產(chǎn)物的產(chǎn)生,但VOCs的去除率也會(huì)降低。因此,需要為等離子體選擇一個(gè)合理的電源參數(shù)。從理論上分析,等離子體中的電子能量分布滿足Maxwell方程,因此部分電子可以打開N≡N,并在含氧條件下反應(yīng)生成NOx;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,等離子體的副產(chǎn)物NOx不完全來自于氮?dú)馀c氧氣間的放電反應(yīng),也有一部分由含氧VOCs中的氧碎片與活性氮物種結(jié)合而生成。因此單獨(dú)等離子體降解VOCs很難避免NOx的生成。低電壓下,等離子產(chǎn)生的NOx主要為激發(fā)型;而輸入高電壓時(shí),NOx的形成機(jī)理逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃π汀５入x子降解乙醛時(shí),其CO_2的選擇性并不高,主要原因在于硝基甲烷、有機(jī)胺、乙酸、一氧化碳等中間產(chǎn)物的產(chǎn)生。水熱法合成的三種晶型MnO_2催化劑與低溫等離子體耦合時(shí),均具有較高的VOCs去除效率,同時(shí)催化劑的耦合降低了等離子體產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物。其中α-MnO_2/Al_2O_3與等離子體耦合的效果最好。根據(jù)催化劑表征的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),α-MnO_2良好的催化活性來自于其表面豐富的羥基基團(tuán)、較高的比表面積和較強(qiáng)的氧物種移動(dòng)性。在等離子催化反應(yīng)中,耦合方式、VOCs初始濃度、反應(yīng)流量及催化劑用量均會(huì)影響其降解VOCs的性能與副產(chǎn)物產(chǎn)量;當(dāng)催化劑為臭氧分解型催化劑時(shí),外置式耦合方式優(yōu)于內(nèi)置式;VOCs初始濃度的增加不利于等離子催化對有機(jī)物的降解,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生更多的NOx;反應(yīng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明,催化劑的加入沒有引起等離子反應(yīng)級(jí)數(shù)的變化,但是卻顯著提高了反應(yīng)的速率;選擇適中的流量條件有利于保證VOCs高去除率的同時(shí)只形成少量副產(chǎn)物;而催化劑用量的增加可以提高等離子體耦合催化的效果�；亓�-離子交換法合成的M’-OMS-2催化劑與等離子耦合時(shí)性能優(yōu)于MnO_2,并且具有良好的穩(wěn)定性。在所有M’-OMS-2催化劑中,Co-OMS-2活性最高,其主要原因在于:鈷與錳的離子半徑更為接近,更容易取代催化劑表面的錳而形成表面氧缺陷,從而有利于臭氧及活性氧物種的捕集;同時(shí),該材料比表面積大,氧物種較多,進(jìn)而有助于促進(jìn)臭氧與VOCs間的反應(yīng)。Co-OMS-2催化劑對等離子降解乙醛時(shí)CO_2選擇性的提高并不顯著,主要是因?yàn)槠鋵⒁宜岬戎虚g產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為CO,而沒有使之繼續(xù)氧化。借鑒等離子催化技術(shù)的方法和思路,將高壓靜電場與鈷錳復(fù)合金屬氧化物催化劑Co-Mn Ox相結(jié)合,既可以有效去除室內(nèi)環(huán)境下的顆粒物,又可以利用高壓靜電場產(chǎn)生的臭氧催化氧化甲醛,實(shí)現(xiàn)三種有害物質(zhì)的同時(shí)去除。反應(yīng)過程中,Co-Mn Ox催化劑的合成溫度、鈷錳比例對催化劑活性有著重要影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鈷錳摩爾比為1:1,煅燒溫度為773 K時(shí),制備的鈷錳復(fù)合金屬氧化物催化活性最高。其原因可能在于鈣鈦礦Co Mn O3晶相的形成,催化劑表面氧含量的增加以及鈷錳在催化劑中表現(xiàn)出的混合價(jià)態(tài)。
【圖文】：

[90]。圖1-7 兩種不同的等離子催化耦合方式Fig. 1-7 Two patterns of plasma-catalysis相比之下，外置式等離子催化耦合方式是將催化劑置于等離子體反應(yīng)器后端，其結(jié)構(gòu)如圖1-7(B)所示。此時(shí)等離子體反應(yīng)與催化反應(yīng)是兩個(gè)相對獨(dú)立的過程，因而其耦合機(jī)理也較為簡單。在外置式耦合方式中，等離子體首先降解部分VOCs，或者是將VOCs轉(zhuǎn)化為一些更容易被處理的中間產(chǎn)物，另一方面產(chǎn)生臭氧、NO2等強(qiáng)氧化性副產(chǎn)物。此時(shí)等離子電場產(chǎn)生的活性物種由于壽命較短而無法直接作用于催化劑表面，催化劑更多是利用上述的強(qiáng)氧化性副產(chǎn)物催化氧化殘留的VOCs，從而提高有機(jī)物去除效率和礦化率的同時(shí)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由 VOCs 發(fā)生器、等離子催化反應(yīng)系統(tǒng)及氣體成分分析系統(tǒng)組成。在 VOCs 發(fā)生器中，環(huán)境空氣由壓縮機(jī)壓入反應(yīng)氣路，經(jīng)過硅膠干燥處理后，被分成鼓泡載氣和稀釋氣兩路。鼓泡載氣通入到含有 VOCs 溶液的不銹鋼密封罐后將 VOCs帶出。該密封罐置于恒溫水浴中以保證 VOCs 揮發(fā)速率均勻。含有 VOCs 的載氣再與稀釋氣流混合，從而得到最終實(shí)驗(yàn)需要的反應(yīng)配氣。實(shí)驗(yàn)過程中，氣體的總流量通過各氣路中的質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行控制；VOCs 的濃度可以通過水浴溫度和鼓泡載氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在考察背景氣氛的影響時(shí)，用高純氮或高純氧的鋼瓶氣代替空氣壓縮機(jī)作為氣源。調(diào)配完畢的反應(yīng)氣體沿氣路進(jìn)入等離子催化反應(yīng)系統(tǒng)。等離子體反應(yīng)器的工作狀態(tài)由高壓電源進(jìn)行開關(guān)控制，其后端置有一根內(nèi)徑 10 mm 的石英管用來做催化反應(yīng)床。當(dāng)?shù)入x子催化采用內(nèi)置式耦合方式時(shí)，催化劑直接填充進(jìn)等離子體反應(yīng)器腔體；當(dāng)采用外置式耦合方式時(shí)，催化劑置于石英管內(nèi)。外置石英管并聯(lián)設(shè)有氣流旁路，可以通過氣閥的切換直接測試單獨(dú)等離子體降解 VOCs 的性能。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X701

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9 周裔R，

本文編號(hào)：2646904