全氟温室SF6、NF3的降解途径探索

摘要

随着全球变暖的现象引起人们越来越多的关注,等离子体工业排放出来的SF6和NF3等全氟温室气体走进了学者们的视野。很多学者对它们在大气中浓度的增加表示忧虑。它们寿命长达几千年,是迄今发现辐射强迫最强的气体。已有研究表明,大气中O·,OH·等氧化性自由基都不与SF6、NF3反应,造成它们在大气层中不断积累。已报道文献中研究降解全氟化合物的技术主要有燃烧法、催化转化法和等离子体技术(火花放电、微波、电弧放电)。但以上技术由于燃烧温度高、催化剂易失活、电极易腐蚀等缺点而难以被应用于工业中;且上述研究面临最大的难题是处理过程中会生成各种含F、O的有毒气体,使得后续处理变得很困难。
　　 本文首次提出利用紫外光降解SF6和NF3及去除其有毒副产物的技术——紫外光缓释法。其机理是天然橡胶在紫外光照下缓慢释放的还原性自由基攻击SF6和NF3分子,使之发生脱氟反应:然后含氟自由基通过聚合沉积到橡胶表面。还原性自由基生成速率受到控制,因此灯管表面无结焦。通过实验证明紫外光缓释法在原理上可行,且具有良好的经济和环境效益。
　　 首先,本文探索了紫外光缓释法降解SF6和NF3的方法和条件,提出了相应的反应机理。SF6和NF3在与缓释自由基(CRR)的反应后被有效地去除。气相中没有检测到有毒含氟产物。F加合到聚异戊二烯的骨架当中;S元素则掺杂到橡胶的表面。Ar气氛中SF6和NF3的光化学反应呈现准一级反应动力学的特征,准一级反应速率常数分别为5.16×10-5 S-1及1.53×10-4s-1。3h内SF6和NF3的降解率分别达到了40％和80％。通过研究反应可能的途径和反应结果,我们提出了“CRR”反应初步机理的框图。进一步,我们研究了空气中O2和H2O对缓释法降解SF6和NF3的影响。
　　 其次,本文研究了介质阻挡放电处理SF6和NF3的方法和大气中主要成分的分压大小对其降解率的影响。在实验的浓度范围内,SF6(＜0.054mol/m3)和NF3(＜0.54mol/m3)均能在60S的时间内达到80％以上的降解率。介质阻挡放电等离子体处理效率与总气压有关,SF6和NF3分压不变时,在反应器中稀释气体分压越大,SF6和NF3的降解率越小。气相的主要产物为SiF4;但是随着氧气含量的增加会产生SO2F2、SOF4、N2O、NO、NOF等有毒物质,使得产物的处理更加困难。