低溫等離子體協(xié)同催化凈化廢氣的研究

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空氣凈化技術:目前,各種有毒有害氣體的排放已造成嚴重的環(huán)境污染。低濃度有害氣態(tài)污染物(如SO2、NOx、VOCs、H2S 等)廣泛地產(chǎn)生于轉化、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)等過程中。國際條例加強了對這些有害的限制。傳統(tǒng)的治理方法如液體吸收法、活性炭吸附法、焚燒和催化氧化等已很難達到國際排放標準[1]。

近年來興起的低溫等離子體催化(non-thermal plasma catalysis)技術解決了傳統(tǒng)的凈化方法所不能解決的問題。用該項技術處理有機具有以下優(yōu)點:①能耗低,可在室溫下與催化劑反應,無需加熱,極大地節(jié)約了;②使用便利,設計時可以根據(jù)風量變化以及現(xiàn)場條件進行調節(jié);③不產(chǎn)生副產(chǎn)物,催化劑可選擇性地降解等離子體反應中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物;④不產(chǎn)生放射物;⑤尤其適于處理有氣味及低濃度大風量的氣體。但以下兩方面還有待改進:①對水蒸氣比較敏感,當水蒸氣含量高于5 %時,處理效率及效果將受到影響;②初始設備投資較高。該項技術在環(huán)境污染物處理方面引起了人們的極大關注,被認為是環(huán)境污染物處理領域中很有發(fā)展前途的高新技術之一。本文將探討其與污染氣體的作用過程及兩者協(xié)同作用機理,并概述這一技術在治理方面的進展。

1 低溫等離子體技術原理與協(xié)同作用機理 

1.1 低溫等離子體技術原理

等離子體是含有大量電子、離子、分子、中性原子、激發(fā)態(tài)原子、光子和自由基等組成的物質的第四種形態(tài)。其總正負電荷數(shù)相等宏觀上呈電中性,但具有導電和受電磁影響的性質,表現(xiàn)出很高的化學活性。根據(jù)體系能量狀態(tài)、溫度和離子密度,等離子體通?？煞譃楦邷氐入x子體和低溫等離子體(包括熱等離子體和冷等離子體)。高溫等離子體的電離度接近,各種粒子的溫度幾乎相同,并且體系處于熱力學平衡狀態(tài),它主要應用于受控熱核反應研究方面。低溫等離子體則處于熱力學非平衡狀態(tài),各種粒子溫度并不相同。

低溫等離子體可通過前沿陡、脈寬窄(納秒級)的高壓脈沖放電在常溫常壓下獲得,其中的高能電子和O、 OH等活性粒子可與各種污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等發(fā)生作用,轉化為CO2、H2O、N2、S、 SO2等無害或低害物質,從而使廢氣得到凈化。它可促使一些在通常條件下不易進行的化學反應得以進行,甚至在極短時間內(nèi)完成,故屬低濃度VOCs治理的前沿技術。

1.2 協(xié)同作用機理

低溫等離子體和催化協(xié)同作用處理廢氣的主要原理如下:等離子體中可源源不斷地產(chǎn)生大量極活潑的高活性物種,這在普通的熱化學反應中不易得到,這些活性物種(特別是高能電子)含有巨大的能量,可以引發(fā)位于等離子體附近的催化劑,并可降低反應的活化能。同時,催化劑還可選擇性地促進等離子體產(chǎn)生的副產(chǎn)物反應,得到無污染的物質。但是目前國內(nèi)外在等離子體和催化協(xié)同作用機理方面的分析和研究比較少,在這方面的認識還遠遠不夠。