双室气-液两相介质阻挡放电装置降解苯的性能研究

摘要

挥发性有机污染物(VOCs)严重危害生态环境，目前常用的VOCs破坏性处理方法包括低温等离子体（催化）法、光催化法、催化燃烧法、生物法等。相较于其他处理方法，低温等离子体（催化）技术具有效率高、无选择性和适用范围广等优点，但是单独气相放电（催化）降解VOCs也存在气相有害副产物排放的问题。本文以苯为模拟目标物，提出一种双室气-液两相介质阻挡放电(DBD)反应器(GLDR)用于处理VOCs废气，该反应器具有气相放电室和气-液两相放电室，VOCs依次进入气相放电室和气-液两相放电室进行顺序处理，用于控制单一气相介质阻挡放电装置(GPDR)净化VOCs废气过程中的气相副产物排放；同时为增强苯的降解效果，研究了溶液中投加过硫酸盐对苯降解效率的影响。此外，本文也研究了气相放电室填充Cux-Mny/γ-Al2O3催化剂时，GLDR降解苯及副产物控制性能，考察了放电装置的结构参数、电气参数、气相参数和液相参数对苯降解效率的影响，并比较了GPDR与GLDR降解苯及副产物控制的性能，主要研究内容及结果如下： (1)与传统GPDR相比，GLDR在苯降解效率和能量效率、活性物质生成(O3和H2O2)和NOx控制方面均表现出了更好的性能。在15kV外加电压下，与GPDR相比，GLDR的降解效率提高了19%，能量效率提高了0.39g/kWh。对于GLDR系统，苯降解效率随外加电压的增大而升高，随着放电气隙间距、苯初始浓度和气体流速的增大而降低。而溶液电导率、溶液pH值的改变对苯的降解效率影响不显著。在外加电压为15kV，放电气隙间距为4mm，苯初始浓度为200ppm，气体流速为0.2L/min，溶液电导率为721μS/cm，溶液pH为7.02条件下，苯的降解效率为61.1%，能量效率为1.45g/kWh；投加3mmol/L的K2S2O8和KHSO5后苯降解效率分别提高了7.4%和9.1%。利用FT-IR、GC-MS和HPLC-MS对苯降解过程中的中间产物和放电副产物进行了分析检测，并给出了苯可能的降解途径。 (2)针对GLDR/Cux-Mny/γ-Al2O3复合系统，考察了不同比例的铜锰催化剂对苯降解效率、能量效率、CO2选择性、O3和NO2产生的影响，其中GLDR结合Cu-Mn/γ-Al2O3(1∶1)催化剂对苯的降解效率和CO2选择性最好，在外加电压为15kV，放电气隙间距为4mm，苯初始浓度为100ppm，气体流速为0.2L/min，溶液电导率为5750μS/cm，溶液pH为7.02条件下，苯降解效率为85.0%，CO2选择性为71.3%，分别比GLDR系统提高26.9%和34.9%，这与催化剂的表征结果相一致；投加3.0mmol/L的K2S2O8和KHSO5后，苯降解效率分别提高了12%和14.5%。此外，考察了Cu-Mn/γ-Al2O3(1∶1)催化剂填充量、催化剂空速以及载气湿度对苯降解效率的影响，结果表明在一定范围内，适当增大催化剂的填充量、减小催化剂空速对苯的降解效率有提高作用，适宜的载气湿度也有利于提高苯的降解效率，溶液pH值的改变对苯的降解效率影响不显著；对GLDR结合催化剂前后的放电产物进行了FTIR分析。

目录

声明

1 绪论

1.1 挥发性有机污染物概述

1.1.1 VOCs的定义和来源

1.1.2 VOCs的危害和治理技术

1.2 低温等离子体降解VOCs概述

1.2.1 低温等离子体降解VOCs作用机理

1.2.2 低温等离子体放电反应器

1.2.3 低温等离子体降解VOCs研究进展

1.3 等离子体催化降解VOCs概述

1.3.1 等离子体催化降解VOCs作用机理

1.3.2 等离子体催化降解VOCs研究进展

1.4 本文研究思路与研究内容

1.4.1 研究思路

1.4.2 研究内容

2 实验系统与测量方法

2.1 实验试剂

2.2 实验系统

2.2.1 实验系统流程

2.2.2 等离子体反应器

2.3 实验参数的测定方法

2.3.1 放电功率的测定

2.3.2 苯降解效率的测定

2.3.3 能量效率的计算

2.3.4 活性物质的测量方法

2.3.5 NOx的测量方法

2.3.6 3NO3-的测量方法

2.3.7 COx的测量方法

2.4 催化剂的制备与表征

2.4.1 催化剂的制备方法

2.4.2 催化剂的表征方法

3 双室气-液两相DBD放电实验体系降解苯研究

3.1 反应器类型对苯降解性能的影响

3.1.1 放电特性

3.1.2 降解效率和能量效率

3.1.3 气相及气-液两相放电生成的副产物

3.2 气隙间距的影响

3.3 苯初始浓度的影响

3.4 气体流速的影响

3.5 溶液电导率的影响

3.6 过硫酸盐的影响

3.7 溶液pH的影响

3.8 苯的矿化效果

3.9 苯降解机理分析

3.9.1 苯降解产物

3.9.2 苯降解途径

3.10 本章小结

4 双室气-液两相DBD放电体系协同Cux-Mny/γ-Al2O3催化剂降解苯研究

4.1 双室气-液两相DBD放电催化床反应器

4.2 催化剂的表征

4.2.1 XRD表征

4.2.2 SEM表征

4.2.3 XPS表征

4.3 催化填充床的放电特性

4.4 CuxMny/γ-Al2O3催化剂组分配比的影响

4.4.1 对苯降解效率和能量效率的影响

4.4.2 对CO2选择性的影响

4.4.3 对放电副产物的影响

4.5 催化剂填充量的影响

4.6 催化剂空速的影响

4.7 载气湿度的影响

4.8 过硫酸盐的影响

4.9 溶液pH值的影响

4.10 苯降解产物的FTIR 分析

4.11 本章小结

5 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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