甲苯DBD降解有机副产物形成机理及影响因素研究——DBD装置及痕量有机物检测装置的研制及应用

摘要

等离子体降解技术处理低浓度有机废气拥有广阔的应用前景，一直以来是各国研究机构感兴趣的课题。目前国内外的主要研究方向是提高降解过程中的有机物去除率，即重点关注有机物在多大程度上降解成其它物质，而对降解尾气中的有毒副产物成分、含量、形成机理及影响因素的系统研究还未见报导。本论文在设计加工非平衡等离子体发生器、痕量挥发性有机物检测装置质子转移反应飞行时间质谱(Proton Transfer Reaction Time of Flight Mass Spectrometry，PTR-TOF-MS)的基础上，探索甲苯低温等离子体降解有机副产物的形成机理。论文的主要研究内容有:
　　(1)非平衡等离子体发生器的研制。设计、加工了同轴式介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)装置，通过考察介质层数、介质材料、气隙间距、激励电压幅值及频率对发生器放电特性的影响，优化非平衡等离子体发生器的结构参数和电气参数。研制的DBD装置能够产生稳定的非平衡等离子体用于降解甲苯气体。
　　(2) PTR-TOF-MS关键部件设计和仪器性能测试。由于甲苯等离子体降解产生的二次有机副产物成分复杂且浓度低，本论文利用高灵敏度的PTR-TOF-MS来检测甲苯等离子体降解之后的二次有机副产物。利用离子光学模拟程序SIMION对漂移管、传输装置进行模拟优化，根据模拟的结果指导仪器的设计和调试，研制出可以在秒量级的时间内获得ppt量级探测灵敏度的挥发性有机物实时在线监测设备，并对PTR-TOF-MS的离子透过率、分辨率、灵敏度、检测下线及定量准确性等性能进行了测试。设计的PTR-TOF-MS用于检测甲苯等离子体降解之后产生的二次有机副产物的成分及其浓度。
　　(3)甲苯等离子体降解研究。利用设计的低温等离子体发生装置降解甲苯，降解尾气中的挥发性有机物利用自行研制的高灵敏PTR-TOF-MS进行实时在线测量，完成有机副产物的定性和定量分析;系统研究影响有机副产物形成的等离子体降解参数，探索抑制有机副产物形成的关键因素;依据降解尾气中有机副产物的浓度和美国国家职业安全与健康研究所推荐的VOCs排放限制完成二次有机副产物的风险评估。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 挥发性有机物的来源及危害

1．2 挥发性有机物监测技术

1．2．1 光谱分析技术

1．2．2 色谱分析技术

1．2．3 质谱分析技术

1．3 挥发性有机物常见的治理技术

1．3．1 光催化法

1．3．2 燃烧法

1．3．3 吸附法

1．3．4 等离子体法

第二章 等离子体降解挥发性有机物的研究进展

2．1 等离子体的理论基础

2．1．1 基本概念与特性

2．1．2 等离子体的应用

2．1．3 等离子体的产生方式

2．2 等离子体降解挥发性有机物的基本原理

2．3 等离子体降解挥发性有机物的研究现状

2．4 本课题的研究思路和研究内容

第三章 DBD等离子体发生器的研制

3．1 介质阻挡放电理论基础

3．1．1 介质阻挡放电的一般性质

3．1．2 介质阻挡放电的物理过程

3．2 介质阻挡放电反应器的主要电气参数

3．2．1 DBD反应器相关电气参数的表述

3．2．2 DBD反应器等效电容的理论推导

3．2．3 DBD反应器放电功率的理论推导

3．3 实验装置

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 DBD反应器电介质层数对放电特性的影响

3．4．2 DBD反应器电介质材料对放电特性的影响

3．4．3 DBD反应器放电间隙对放电特性的影响

3．4．4 DBD反应器电源频率对放电特性的影响

3．4．5 DBD反应器激励电压幅值对放电特性的影响

第四章 质子转移反应飞行时间质谱仪关键部件设计和仪器性能测试

4．1 SIMION程序的介绍

4．2 质子转移反应飞行时间质谱装置

4．2．1 离子源

4．2．2 漂移管

4．2．3 传输区

4．2．4 飞行时间质量分析器

4．3 质子转移反应飞行时间质谱浓度测量原理

4．4 离子透过率的测量

4．5 质子转移反应飞行时间质谱仪的性能

4．5．1 灵敏度和检测下限

4．5．2 分辨率

4．5．3 线性动态范围与定量准确性

第五章 甲苯等离子体降解研究

5．1 实验部分

5．1．1 实验装置

5．1．2 实验步骤

5．1．3 实验分析方法

5．2 甲苯降解率实验的结果及讨论

5．2．1 流量的影响

5．2．2 初始浓度的影响

5．2．3 氧气含量的影响

5．3 有机副产物检测实验的结果与讨论

5．3．1 有机副产物的本底检测

5．3．2 降解尾气中有机副产物的成分及形成机理

5．3．3 影响降解尾气中有机副产物形成的关键因素

5．3．4 降解尾气中有机副产物的风险评估

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况