气体放电-光催化净化含苯废气的研究

摘要

本论文采用气体放电与光催化相结合的方法，共同作用于含苯废气使其降解。选用填充床管-线式反应器，填料为不同材质和直径的陶瓷环，选纳米TiO2为光催化剂并将其负载于陶瓷环上；电源为50Hz的低频交流高压电源，升压范围一般为0～30kv。实验研究表明，该反应器工作能力的大小主要取决于气体放电的强弱和由此产生的紫外线强度，其次是纳米光催化剂的品质和装载状况等。 研究表明，影响反应器气体放电的主要因素有：内外电极、填料的材质和直径、两极间的电压和气体的湿度等。在其它特征参数一定的条件下，两极间的电压越大放电越强；内电极直径既非越大越好，也非越小越好，而应存在一个合理值；外电极匝数并非越多越好，过多会引起反应器发热增加能耗，过少会造成反应器内的电场强度不均匀；填料材质的介电常数对电场强度有一定的影响，电场强度随填料的介电常数增大而减小，随着填料直径减小而增大；气体湿度越大放电越弱。实验表明，影响反应器降解率的主要因素除上面已提及的以外，还有空塔气速和苯的入口浓度。 通过用溶胶-凝法制取光催化剂并为填料镀膜的实验，总结出合理的原料配比和制取工艺条件。实验证明，光催化剂可增大填料的介电常数、填料气隙间的电场强度和电子能量水平，同时可提高反应器的能量利用率和化学反应强度。与无光催化剂的反应器相比，有光催化剂的反应器对苯的降解率有了明显的提高。实验中还发现，气体放电-光催化反应器在处理含苯气体时，CO2的产率较一般的气体放电反应器高；反应器在处理低浓度(750mg/m3)含苯气体时去除率与降解率几乎相同，可达99％；处理高浓度(1500mg/m3)含苯气体时，去除率也可达90％以上。经测定，尾气中的主要生成物为CO2、H2O。 事实说明，气体放电-光催化反应器和一般的光催化反应器相比，具有体积小、处理效率高、运行工况容易控制等特点，与无光催化剂的单一气体放电相比，对含苯气体的去除率可提高10％以上。光催化剂在长期使用过程中会失活，但在本体系下，光催化剂的再生较容易。 本研究对气体放电-光催化反应器净化含苯气体的尾气和反应器上的结焦物质进行了色谱-质谱联用和红外光谱等分析，得到了几个重要结果：①由于苯分子受高能电子的碰撞，容易形成苯自由基·C6H5，这是形成苯衍生物的根源。②由于体系中氧气O2、水蒸气H2O在气体放电和光催化过程中产生氧自由基·O，羟自由基·OH，它们的性质非常活泼，容易与苯自由基发生一系列反应，生成一系列烷氧自由基，这些自由基之间再进一步反应生成一系列含氧有机中间产物，醛类、醇类、羧酸类、酯类等。③由于自由基的活泼性，可以发生链增长反应，如联苯、长链烃及其衍生物等。④在高电压下，除了有低电压已有的中间产物外，还因氮氮键的开裂有了酰胺的产生；⑤气体放电-光催化反应器净化含苯废气经过一系列复杂的中间过程，最终绝大部分氧化为CO2、H2O；⑥在高电压下的非平衡等离子体中，各种自由基和高能粒子增多，反应往往在瞬间完成，反应的中间产物较难捕捉且不易重现。

目录

文摘

英文文摘

声明及关于论文使用授权的说明

1绪论

1.1引言

1.1.1挥发性有机物的概念及危害

1.1.2我国VOC污染状况

1.2 VOCs的传统处理方法

1.2.1燃烧法

1.2.2吸收法

1.2.3吸附法

1.2.4冷凝法

1.3 VOCs的新处理方法

1.3.1生物法

1.3.2非平衡等离子体净化法

1.3.3光催化氧化法

1.4几种VOCs处理方法的性能比较

1.5课题的研究内容

1.5.1问题的提出

1.5.2气体放电-光催化反应器的设想

1.5.3课题研究的主要内容

1.6本章小结

2气体放电-光催化反应器去除VOCs的工作原理

2.1气体放电反应器的工作原理

2.1.1气体放电反应器中的放电发生、击穿和微放电

2.1.2电介质极化

2.1.3气体放电的能量

2.1.4气体放电中非平衡等离子体的产生

2.1.5气体放电中紫外线的产生

2.2非平衡等离子体对VOCs的降解作用

2.3影响降解VOCs的因素分析

2.4光催化法处VOCs的理论分析

2.4.1纳米半导体的特性

2.4.2光催化反应机理

2.4.3光催化反应动力学

2.4.4影响光催化降解VOCs的因素分析

2.4.5光催化剂失活与再生

2.5气体放电-光催化对VOCs的共同作用机理

2.6本章小结

3气体放电反应器净化苯的实验研究

3.1实验准备

3.1.1实验装置的选取

3.1.2反应器填充材料的选取

3.1.3实验用VOCs的选取

3.1.4分析设备

3.1.5其它实验条件

3.2气体放电反应器降解苯的实验结果及分析

3.2.1降解率的定义

3.2.2反应器各组件对降解率的影响分析

3.2.3影响降解率的主要工艺参数

3.3本章小结

4光催化剂在气体放电反应器中降解苯的实验研究

4.1纳米T1O2光催化剂制备方法的实验研究

4.1.1溶胶-凝胶法制备工艺

4.1.2实验原理与分析

4.1.3填料负载纳米TiO2催化剂的研究

4.1.4最终制备方法的确定

4.2光催化剂在气体放电反应器中降解苯的实验

4.2.1光催化剂与电场强度的影响

4.2.2光催化剂载体的影响

4.2.3其它条件的影响

4.3光催化剂的失活与再生

4.4本章小结

5气体放电—光催化反应器降解苯实验的综合分析

5.1气体放电影响因素的实验研究

5.1.1气体放电强弱的测定

5.1.2影响气体放电强弱的因素分析

5.2影响降解率因素分析

5.2.1填充床反应器的影响分析

5.2.2填充介质空隙率的影响分析

5.2.3光催化剂的影响分析

5.3气体放电—光催化反应器对苯的去除率计算与分析

5.4气体放电—光催化反应器降解苯的能耗

5.5本章小结

6气体放电—光催化反应器降解含苯气体的机理分析

6.1反应器尾气的色质图谱分析

6.2反应器尾气的红外吸收图谱分析

6.3 TiO2表面分析

6.3.1 TiO2表面物质的拉曼光谱图分析

6.3.2 TiO2表面的反应历程

6.4气体放电-光催化降解含苯气体的机理分析

6.5本章小结

7结论

致谢

参考文献

附图

附 录