等离子体催化低温脱除氮氧化物和苯的研究

摘要

氮氧化物和苯是常规方法难脱除的两种有代表性的气相污染物。本论文采用等离子体催化技术，分别开展了“等离子体催化烃类低温选择还原氮氧化物”和“空气中低浓度苯的等离子体催化完全氧化脱除”两方面的研究，主要取得了如下结果：
　　 1.等离子体催化烃类低温选择还原氮氧化物
　　 (1)采用介质阻挡放电与H-MOR催化剂“一段法”相结合，对乙炔选择还原氮氧化物反应进行了考察。在低温(100-200℃)和较宽的氧含量范围(0-15％)条件下，等离子体催化表现出了显著的协同效应。以0.05％NO/0.05％C2H2/10％O2/N2为原料气、空速为12，000 h-1、输入能量密度为125 J L-1条件下，100℃时单纯等离子体、单纯催化和等离子体催化体系中氮氧化物转化率分别为3.3％、11.6％和66.7％；200℃时上述三种体系中氮氧化物转化率分别为3.8％、54，0％和91.4％。质谱在线检测反应产物的结果表明，在单纯催化体系中产生了大量的HCN副产物，而在等离子体催化体系中基本没有HCN副产物放出，这可能是因为等离子体催化体系生成的大量NO2和H2O可将HCN迅速消耗掉，从而显著提高了氮氧化物的低温活性。
　　 (2)质谱研究结果表明，等离子体可促进H-MOR催化剂上NOy(y≥2)物种的形成和乙炔的氧化。对经NO/C2H2/O2三组分预处理后在H-MOR催化剂上形成的表面中间物种与NO、O2和NO+O2的反应能力进行了考察，结果表明：催化剂上形成的表面中间物种在NO与O2共存时对NO具有较强的选择还原性。
　　 2.空气中低浓度苯的等离子体催化完全氧化脱除
　　 (1)采用循环的“存储.放电”(CSD)等离子体催化新方法，考察了多种催化剂在含有低浓度苯、相对湿度为50％的模拟空气中对苯的吸附存储和吸附态苯的等离子体催化完全氧化性能。结果表明：Ag/HZSM-5(SiO2/Al2O3=360)催化剂在选择吸附苯和对吸附态苯的等离子体催化完全氧化方面的性能均最佳；Ag/HZSM-5在湿气流中的抗水性主要归功于高硅载体HZSM-5的疏水性；银促进了吸附态苯完全氧化为CO2和H2O( CO2选择性～100％)。催化剂的表征结果表明：银含量增加，催化剂与苯之间的作用力增强，催化剂的碳平衡下降。
　　 (2)相同条件下，Ag/HZSM-5催化剂比HZSM-5催化剂吸附苯的穿透时间延长了3倍。Ag/HZSM-5催化剂穿透时间的延长，大大降低了等离子体催化法处理含低浓度苯污染气体的能耗。在处理含有4.7 ppm苯、相对湿度为50％和流量为600mL min-1的模拟空气实验中，采用CSD等离子体催化新方法(Ag/HZSM-5为催化剂，放电功率为4.7W)，处理每立方米污染气体的放电能耗仅为3.7x10-3 kWh。如此之低的能耗使得等离子体催化技术在脱除空气中低浓度VOCs中的实际应用成为可能。

目录

文摘

英文文摘

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引 言

1 文献综述与选题

1.1 等离子体催化选择还原氮氧化物

1.1.1 氮氧化物的来源和危害

1.1.2 汽车尾气中氮氧化物的脱除方法

1.1.3 等离子体脱除氮氧化物

1.1.4 等离子体催化脱除氮氧化物的研究进展

1.2 等离子体催化脱除室内空气中的挥发性有机化合物

1.2.1 室内空气中VOCs的来源和危害

1.2.2 室内空气中VOCs的治理方法

1.2.3 等离子体脱除VOCs

1.2.4 等离子体催化脱除室内VOCs的研究进展

1.3 论文选题和研究思路

2 实验部分

2.1 等离子体催化反应评价

2.1.1 等离子体催化烃类低温选择还原氮氧化物

2.1.2 空气中低浓度苯的等离子体催化完全氧化脱除

2.2 等离子体放电功率的测量

2.3 催化剂制备

2.4 催化剂表征

2.4.1 程序升温技术应用于表面吸附物种的研究

2.4.2 催化剂负载量的测定(ICP)

2.4.3 紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)

2.4.4 X-射线光电子能谱(XPS)

2.4.5 比表面积(BET)

2.4.6 X射线粉末衍射(XRD)

2.4.7 NH3程序升温脱附(NH3-TPD)

2.5 实验仪器与药品

2.5.1 主要仪器

2.5.2 实验药品

3 等离子体催化烃类低温选择还原氮氧化物

3.1 前言

3.2 等离子体催化乙炔选择还原氮氧化物的协同效应

3.3 等离子体催化乙炔选择还原氮氧化物工艺参数的影响

3.3.1 输入能量密度与温度的影响

3.3.2 空速的影响

3.3.3 氧含量的影响

3.3.4 水蒸汽的影响

3.3.5“一段法”和“两段法”的比较

3.3.6 放电对催化剂稳定性的影响

3.4 等离子体催化乙炔选择还原氮氧化物的机制探讨

3.4.1 乙炔存在下单纯等离子体对NO氧化为NO2的贡献

3.4.2 气相产物的质谱在线检测

3.4.3 等离子体对NO在H-MOR催化剂上吸附过程的影响

3.4.4 等离子体对NO+O2在H-MOR 催化剂上共吸附过程的影响

3.4.5 等离子体对C2H2+O2在H-MOR催化剂上共吸附过程的影响

3.4.6 H-MOR催化剂上乙炔选择催化还原氮氧化物的表面中间物种研究

3.4.7 等离子体与H-MOR催化剂协同脱除氮氧化物的机理概述

3.5 小结

4 空气中低浓度苯的等离子体催化完全氧化脱除

4.1 前言

4.2 双功能催化剂：苯的存储与等离子体催化氧化

4.2.1 催化剂载体

4.2.2 HZSM-5上的负载组分

4.2.3 Ag/HZSM-5催化剂

4.3 等离子体催化反应器与工艺参数对吸附态苯氧化的影响

4.3.1 等离子体催化反应器结构的影响

4.3.2 吸附气流中相对湿度的影响

4.3.3 放电功率的影响

4.3.4 存储周期的影响

4.3.5 循环的“存储-放电”等离子体催化处理空气中低浓度苯的放电能耗

4.3.6 吸附态苯的等离子体催化氧化产物的质谱在线分析

4.4 双功能催化剂的表征与等离子体催化氧化吸附态苯的机理探讨

4.4.1 Ag/HZSM-5催化剂的比表面积

4.4.2 Ag/HZSM-5催化剂上银的化学状态

4.4.3 Ag/HZSM-5催化剂的疏水性及对苯的选择吸附性能

4.4.4 Ag/HZSM-5催化剂对吸附态苯的催化氧化作用

4.4.5 等离子体催化氧化吸附态苯的机理探讨

4.4.6 等离子体催化氧化吸附态苯的动力学分析

4.5 小结

5 结 论

5.1 本研究工作所取得的主要成果

5.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致 谢

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