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低温等离子体降解VOCs的改进措施
2017.12.18   点击276次

  VOCs,也称挥发性有机化合物,已知的有300多种,包括非甲烷总烃、苯系物、挥发性卤代烃、醇类、醚类、脂类、酚类、脂肪酸(醛、酮)、小分子聚合物、可聚合物、硫醇类、胺类等。VOCs治理技术包括回收利用技术和销毁技术,其中传统技术有冷凝技术、吸附技术、吸收技术、热力焚烧法、催化燃烧法和生物降解法,新型技术包括膜分离技术、等离子体法、光解氧化法和光催化氧化法。

  新型技术中,对高浓度、易回收、有回收价值的VOCs气体采用膜分离技术,但对于低浓度、没有回收价值的VOCs采用等离子体技术、光解氧化技术和光催化氧化技术将其分解为小分子、二氧化碳和水。等离子体技术是新型技术中的一种,现在把等离子体降解VOCs的原理、存在的问题及改进措施介绍如下:

  1、低温等离子技术降解VOCs的原理

  低温等离子体技术降解各种污染物的基本原理如下:

  在外加强电场作用下,通过放电介质,电子从电场获得能量产生高能电子;大量的被电子激发的携能电子不断地、快速地轰击、撕裂污染物分子,污染物分子在这样的条件下,发生电离、解离和激发等作用,从而成为活性基团;这些活性基团与分子或原子、活性基团与活性基团之间相互碰撞,会引起污染物分子发生一系列复杂的化学、物理反应;这些反应使较复杂的、长链的污染物大分子撕裂成为简单、安全的小分子物质,达到了转变有毒有害物质为低毒低害、低毒无害、无毒无害的安全物质,从而去除、降解污染物。能量传递过程如图1所示:

图1 低温等离子体反应中化学能量传递过程示意图

  因其电离电子后平均产生的能量在10eV左右,在严格控制反应条件的前提下,可以实现速度很慢或难以发生反应的化学反应,并且反应速率非常高。低温等离子体技术在VOCs处理领域中已经成为了具极强优势的高新技术,并越来越广泛地得到市场应用,等离子体技术在国内外相关学科界也得到了广泛关注和高度认同。

  2、低温等离子体存在的问题

  1)VOCs浓度较高时,低温等离子体一般不宜作为独立的处理单元应用,需与其他处理单元联合使用,通常作为二级净化单元才能取得较好的处理效果;

  2)废气的预处理不到位时,废气中的油雾或漆雾等颗粒物进入低温等离子体净化设备,沉积在电极或器壁上,积累到一定程度后会引起设备着火;

  3)有些化合物在低温等离子体环境中发生聚合反应,在电极或器壁沉积结焦,积累到一定程度也会引起设备着火;

  4)易产生火花放电,在高峰值电压下,反应器易产生火花放电,火花放电不仅增大电能消耗,而且破坏放电的正常进行,净化效率低,还存在危险性;

  5)废气本身或处理系统积累的有机物浓度高,达到了被净化物质(或混合物)的爆炸极限值,电极放电时造成设备爆炸;

  6)对于低温等离子体设备对设备部件的构型设计、制造精度、严密性等要求很高:如对电场频率、电压、高频的脉冲等参数,成套设备中如果其中的某个参数达不到要求,如电压电低、频率过高或过低等会对离子体的产生量造成很大的影响,甚至会造成爆炸事件;

  3、低温等离子体技术降解VOCs的改进措施

  2017年6月30日天津市安全生产委员会发布了《市安委会办公室关于吸取事故教训开展环保治理设施专项安全检查的通知》,通知中提到:“对采用‘低温等离子’等可能产生点火能的工艺或设备设施处理易燃易爆挥发性有机物的,要立即停用,并全面进行安全风险评估,严防类似事故再次发生”。该通知发布后,引起了业界对低温等离子体技术处理有机废气和恶臭异味气体处理工程应用的广泛关注和争议。

  低温等离子技术作为一种新型VOCs降解技术,虽然在废气处理中存在一定的问题,但可以通过等离子体协同光催化降低废气处理的安全隐患,并能够把其推向市场。

  第一、等离子协同光催化的理论分析

  VanDurme报道了低温等离子体协同TiO2去除甲苯有效提高了能量利用率。在背景气为干空气,能量密度为17J/L的条件下,等离子体反应器中加入15g的TiO2可以将甲苯的去除率从27±4%提高到82±2%。

  藤岛昭报道了低温等离子体协同光催化显著地分解氨气,他们认为:等离子体产生的高能基团、反应活性基团与TiO2表面有比较好的接触,有益于等离子体协同光催化,提高光催化降解效率。并且可以有效减少副产物的产物。

  第二、等离子体协同光催化实验结果

  华钛高科利用原位合成技术在低温等离子体管表面涂覆、烧结得到具有纳米TiO2涂层的等离子体管,甲苯和乙酸乙酯的气体流经复合净化装置的离子体发生器放点区域,利用低温等离子体放电效应激发纳米TiO2的光催化活性,此时等离子体协同光催化对甲苯和乙酸乙酯具有协同处理效果,处理效率与等离子单独使用相比提高了20-50%,其中乙酸乙酯的降解更为显著。

  另外,由于等离子体协同光催化的影响,大大提高了VOCs的降解效率,等离子管的表面不会累积有机物,所以会大大降低爆炸的危险。

  第三、等离子管表面的自清洁效果

  TiO2涂层的自清洁效应是涂层的光催化和亲水性协同作用的结果。当低温等离子体发光时,TiO2表面具有自清洁效果,VOCs不会黏附到涂层的表面。TiO2表面超亲水性是由于其表面的结构变化:在紫外光的照射下,TiO2价带的电子被激发到了导带,电子和孔穴向TiO2表面迁移,在表面形成电子空穴对,电子与Ti4+反应,空穴则同薄膜表面的桥氧离子反应,分别生成Ti3+和氧空位,空气中的水分子与氧空位结合形成表面羟基,形成物理吸附水层,其表面就会有极强的亲水性,与水的接触角减小到5o以下,甚至水滴可以完全浸润二氧化钛薄膜表面,薄膜具有的这种性质称为超亲水性。TiO2涂层在不断进行光催化降解而除去VOCs,达到自清洁的效果。

  第四、其它处理措施

  对于含油雾或漆雾等颗粒物的VOCs,应配置高效过滤等适宜的预处理工艺,确保低温等离子体处理设备的安全性;对电极和器壁上的沉积物应及时进行清理维护;启动低温等离子体单元之前,需先启动风机吹扫处理系统,以防止放电火花引燃积聚的高浓度有机物等。

  等离子体技术是一种新型技术,通过企业研发人员和工程人员的共同努力,克服目前存在的缺陷,一定将在不久的将来大规模应用到VOCs治理设备中。

本文来自:华钛高科
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