生物质导电炭强制放电降解挥发性有机污染物基础研究

摘要

中国挥发性有机物（VOCs）污染问题日益显著，社会和政府对VOCs污染物的控制越来越重视。《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》明确提出，在重点区域、重点行业推进VOCs排放总量控制，使全国排放总量下降10%以上。传统控制技术对大风量、低浓度的VOCs排放的治理成本依然偏高，发展更加实用、可靠的VOCs控制技术具有重要现实意义。 生物质经高温炭化活化后，可得到同时具有丰富孔隙结构和优良导电性的生物质炭，即生物质导电炭。生物质导电炭对VOCs具有较强的吸附和浓缩作用，同时其优良导电性可使其在加载高电压时直接产生放电，实现VOCs的脱附和降解。论文以排放较多且应用广泛的甲苯和丙酮为目标VOCs污染物，开展了基于生物质导电炭对VOCs进行处理方法的研究，对生物质导电炭的放电特性与吸附、脱除VOCs的规律进行了基础研究。 首先对生物质导电炭流态化放电的放电特性及机制进行了实验研究。考察了放电过程中电压电流的波形特征和各因素对放电功率的影响规律。流态化放电产生大量的脉冲放电波形，峰峰值电压约6kV时，峰值电流可达9A。流化气体O2浓度＜3%以及导电炭电阻率＞4Ω?cm时，能量转化率随O2浓度和导电炭的导电性的提高而显著提高；对流态化放电的高速摄相表明，导电炭流态化的放电概率与颗粒浓度（空隙率）密切相关，开路和导通的概率与空隙率分别呈正相关和反相关的关系，空隙率约0.7时放电概率最大；放电电弧的形成集中在气泡的上部乳化相区域，且随着气泡的上升而上升，气泡内的气体逐渐扩散至上部乳化相区域后，颗粒的浓度下降，该区域放电电弧逐渐消失，放电通道更换至在新产生的气泡上部乳化相区域形成；空隙率的增加使单个气泡的直径及气泡产生的频率有增加的趋势，单次放电通道的数目并不因气泡频率的增大而增大；当空隙率在较合适的值时（约0.7），即能使气泡前端的颗粒浓度足够大同时导通较少，又可使气泡在在该状态下维持相对较长的时间，从而使整体的放电概率最大化。Comsol Multiphyics软件对两极板之间存在多个颗粒的电场分布进行模拟的结果表明，颗粒之间靠近至＜0.1R或曲率半径减小至0.04mm以下时，间隙处电场急剧增加至E0的7倍以上。 研究了生物质导电炭对甲苯和丙酮的吸附和脱附特性。导电炭对甲苯可吸附能力（约211~218mg/g）强于丙酮（约为129~162mg/g），甲苯/丙酮二元VOCs吸附时，将产生竞争吸附，甲苯可置换吸附的丙酮。通过已吸附甲苯或丙酮的导电炭的热重实验，得到甲苯和丙酮脱附活化能分别为60.89kJ/mol和35.46kJ/mol，表明丙酮更容易从导电炭孔隙中析出；对比吸附甲苯的导电炭在流态化情况下分别进行外部加热与放电的脱附率，结果表明流态化的放电有利于促进甲苯从导电炭中的脱附。 研究了导电炭流态化放电降解一定浓度的VOCs气体的影响规律。O2浓度的提升对甲苯的降解效果具有促进作用，且放电功率越高，促进作用越显著；甲苯初始浓度越高，降解甲苯的总量升高，但降解效率有所降低；导电炭的导电性对甲苯的降解效率影响很大，导电性越好降解效率越高；在相同的放电功率下（如32W），丙酮的降解效果（95%）明显高于甲苯（45%）；甲苯的浓缩可降低导电炭的损耗。 研究了生物质导电炭先吸附VOCs后放电降解的特性。考察了VOCs的吸附量、放电功率以及外部冷却程度对VOCs的分布的影响，并分析了循环利用对导电炭吸附性能的影响。甲苯吸附量为79mg/g，平均放电功率约26.5W时，被吸附甲苯的降解率可达59%。甲苯吸附量越低、放电功率越大，甲苯的降解率越大。导电炭“先吸附-后降解”的循环利用过程对导电炭的吸附性能和微观结构具有较大的影响；首次的“先吸附后降解”过程使导电炭的表面大量的片状结构剥落，吸附性能略有下降（217mg/g下降至203mg/g），继续放电，将由于活化作用，其吸附性能逐渐提高（203mg/g增加至266mg/g）；放电开始后短时间放电区域的快速温升（20~30℃/min）使整体降解效率偏低，通过适当的冷却可有效提高甲苯的降解率（47.8%提高到73.9%）并有效降低导电炭的损耗率，冷却最佳温度约为77℃；放电降解的气体产物中仅含有CO、CO2以及少量CH4。相对于甲苯，丙酮更容易从导电炭中脱附出来而产生大量逃逸，需要冷却至更低温度，才可使其得到有效降解。 基于实验结果，拟设计了将导电炭吸附放电脱除VOCs方案应用于某车辆涂装生产线的实际工况情景，并与活性炭吸附浓缩-催化燃烧系统的成本进行固定成本和运行成本的比较，经济性的分析表明本方法可在运行超过5年以后弥补固定成本并逐渐展现经济上的优势；同时其具有占地面积小，且不产生废弃的催化剂等危废，减少对环境的影响。

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