低温等离子体降解VOCs及其尾气固氮研究

摘要

挥发性有机化合物(VOCs)主要来源于工业生产和交通运输，对环境及人类身体健康造成严重危害。利用低温等离子体技术开展VOCs治理，具有降解效率高、操作简单和无二次污染等优势。本文利用自制的低温等离子体反应器，利用介质阻挡放电降解甲苯、苯胺和酚醛类油漆废气，并开展尾气固氮研究，为VOCs有效降解及尾气固氮资源化利用提供理论支撑及应用价值。　　为获得自制反应器降解VOCs的适宜放电参数，采用均匀设计法优化，筛选得出工作电压、放电频率及空气流量等适宜放电参数，分析得出反应器放电特性，揭示低温等离子体放电的壁电荷分布情况。为获得低温等离体放电降解VOCs的优势性能，以甲苯降解率为探针，考察不同甲苯初始浓度、空气湿度和停留时间等对甲苯降解率的影响;利用在线式高精度复合分析仪和GC-MS，分析低温等离子体放电过程中物质转化规律;利用经典动力学，探究放电空间内高能活性粒子浓度和污染物浓度的关系。为避免尾气对环境造成二次污染、实现尾气资源化利用，考察不同吸收液、不同吸收时间、O3通入量等对尾气氮的固定转化效率，通过分析NOx的生成机理，开展尾气固氮机理分析及能效评价。研究结果表明:　　(1)通过自制反应器放电特征分析发现，自制反应器放电为介质阻挡反放电;当工作电压为13.0kV、气体流量为2L/min、放电频率为8kHz时，反应器功率稳定在107.85W，能量效率为3235.35J/L，O3产生量最高可达1295mg/m3，NOx的浓度为306mg/m3，表明反应器放电稳定且能有效产生大量活性粒子。　　(2)均匀设计法获得反应器优势放电参数为:工作电压为12kV、频率为7.5kHz、空气流量2L/min，通入初始浓度为1000mg/m3的甲苯废气，甲苯降解率为95.14％。均匀设计法拟合低温等离子体放电降解甲苯的方程R2=0.966，F(3，3)=9.3＜F=28.251，表明模型显著性高，方程可用;影响甲苯降解的放电参数依次为:工作电压＞放电频率＞空气流量，且工作电压与放电频率存在交互作用。经在线监测仪监测尾气浓度变化发现，CO2浓度随电压升高而上升，NOx生成量随甲苯初始浓度增大而下降，表明甲苯降解与污染物浓度及高能活性粒子数相关。　　(3)介质阻挡放电降解VOCs发现:适宜放电参数下，初始浓度为1000mg/m3的甲苯、苯胺和油漆废气，降解率分别为94.98％、93.32％、87.98％，能量效率分别为1.27、1.24、1.17g/kWh，能量密度为2697.6J/L，表明反应器表现出对不同VOCs具有良好的降解性能。采用经典动力学分析甲苯降解规律发现:拟合方程式的R2值都大于0.99，表明介质阻挡放电降解甲苯符合一级经典动力学模型;初始浓度在1000～4000mg/m3范围内，反应速率常数k值随初始浓度上升而增大;输入功率与反应速率常数k满足方程y=0.01409x-0.18899(R2=0.9990)表达式，计算获得自制反应器降解甲苯所需最小输入功率P为13.41W。　　(4)VOCs降解尾气固氮研究发现:以水为吸收液，固氮吸收60min可获得质量浓度为31.23mg/L的NO2-和质量浓度为5.74mg/L的NO3-，固氮总量为36.97mg/L;改用KOH溶液为吸收液时，固氮吸收15min后，可获得质量浓度为12.85mg/L的NO2-和质量浓度为1.91mg/L的NO3-，固氮总量为14.76mg/L，是水固氮总量的1.66倍;通入220mg臭氧后，吸收液中NO2-完全转化为NO3-;以干燥空气、甲苯、苯胺和油漆废气为降解气源，分别可获得固氮总量为:9.04、10.86、9.37、10.39mg/L，固氮能量效率为0.40、0.48、0.42、0.46g/kWh，表明碱性吸收液，且通入O3，可实现尾气固氮、且NO2-完全转化为NO3-自勺利用途径。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1 VOCs来源及其危害

1．1．1 VOCs来源

1．1．2 VOCs危害

1．1．3我国VOCs排放情况

1．1．4我国VOCs污染防治相关政策

1．2 VOCs治理技术现状

1．2．1传统VOCs治理技术

1．2．2新兴VOCs治理技术

1．3．1低温等离子体技术概述

1．3．2低温等离子体的产生方式

1．3．3低温等离子体技术在治理环境污染中的应用

1．4固氮技术研究进展

1．4．1固氮技术及方式

1．4．2低温等离子体固氮技术研究

1．5研究内容与创新点

1．5．1研究内容

1．5．2研究特色与创新点

1．5．3技术路线图

第2章反应系统构建及放电特性分析

2．1低温等离子体反应系统构建

2．2低温等离子体放电原理及实验方法

2．2．1低温等离子体放电原理

2．2．2实验方法

2．2．3实验步骤

2．3放电特征分析

2．3．1放电模式分析

2．3．2能量密度分析

2．3．3放电体系活性粒子及产物分析

2．4壁电荷的分布

2．5本章小结

第3章反应器优化及放电产物分析

3．1实验部分

3．1．1仪器与试剂

3．1．2实验方法

3．1．3实验步骤

3．2影响VOCs降解的放电参数单因素研究

3．2．1不同工作电压对VOCs降解的影响

3．2．2不同放电频率对VOCs降解的影响

3．2．3不同空气流量对VOCs降解的影响

3．3均匀设计法优化反应器放电参数

3．3．1放电降解甲苯的模型拟合

3．3．2放电参数的交互作用分析

3．3．3拟合模型的验证实验

3．4放电体系产物分析

3．4．1放电过程中CO2浓度的变化

3．4．2放电过程NOx浓度的变化

3．4．3放电过程O3浓度的变化

3．5本章小结

第4章VOCs降解及其动力学研究

4．1．1仪器与试剂

4．1．2等离子体放电降解VOCs原理

4．1．3实验方法

4．1．4实验步骤

4．2低温等离子体降解不同VOCs的因素研究

4．2．1不同初始浓度对VOCs降解率的影响

4．2．2不同空气湿度对VOCs降解率的影响

4．2．3不同停留时间对VOCs降解率的影响

4．2．4焦化物分析

4．3放电降解甲苯动力学分析

4．3．1不同输入功率的甲苯降解动力学分析

4．3．2不同初始浓度的甲苯降解动力学分析

4．4放电降解甲苯作用机制解析

4．4．1甲苯降解过程解析

4．4．2甲苯降解能耗分析

4．5本章小结

第5章介质阻挡放电尾气固氮研究

5．1实验部分

5．1．1仪器与试剂

5．1．2低温等离子体降解VOCs的尾气固氮原理

5．1．3实验方法

5．1．4实验步骤

5．2尾气固氮的影响因素研究

5．2．1尾气吸收时间对固氮效果的影响．

5．2．2不同吸收液对固氮效果的影响

5．2．3通入不同污染物对固氮效果的影响

5．2．4 O3通入量对NO2-转化的影响

5．3尾气固氮作用机制解析

5．3．1放电过程中NOx的生成

5．3．2液相固氮与气相固氮的协同作用

5．4尾气固氮能效评价

5．5本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研和取得的成果