線-筒式脈沖高壓電暈放電降解四氯乙烯/間二甲苯混合污染物

那剛,李鍛,2,吳彥,2,李杰,2,魯娜,2

(1大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,遼寧大連 116024;2大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,遼寧大連 116024)

線-筒式脈沖高壓電暈放電降解四氯乙烯/間二甲苯混合污染物

那剛1,李鍛1,2,吳彥1,2,李杰1,2,魯娜1,2

(1大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,遼寧大連 116024;2大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,遼寧大連 116024)

為了研究混合揮發(fā)性有機化合物(vo latile organic compounds,VOCs)和單一VOC的降解特性,將氣態(tài)四氯乙烯/間二甲苯混合物引入線-筒式放電反應(yīng)器,利用脈沖高壓進(jìn)行降解實驗.結(jié)果表明:電壓28.6 kV時,混合物中四氯乙烯和間二甲苯的降解率比初始體積分?jǐn)?shù)各為0.02%的2種單一物質(zhì)分別降低33.0%和22.7%,與初始體積分?jǐn)?shù)各為0.04%的2種單一物質(zhì)相比,混合后四氯乙烯的降解率降低38.3%,而間二甲苯的降解率增加18.6%;混合物中間二甲苯的存在,改變了四氯乙烯的降解趨勢;四氯乙烯比間二甲苯易礦化.

混合VOCs去除;脈沖高壓;碳氧化物選擇性

目前,低溫等離子體法在氣態(tài)污染物凈化方面的研究較為活躍.工業(yè)有機廢氣往往是多種有機污染物的混合體,成分復(fù)雜.因此模擬多種混合氣態(tài)VOCs,對其進(jìn)行降解研究具有重要實用價值.李鍛等[1]利用交流介質(zhì)阻擋(dielectric barrier discharge,DBD)反應(yīng)器實現(xiàn)了對2種混合VOCs的降解.W ang等[2]利用雙極性脈沖DBD反應(yīng)器實現(xiàn)了4種混合VOCs的降解,說明低溫等離子法在處理混合有機污染物方面表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景.本研究選取工業(yè)生產(chǎn)中重要的污染物四氯乙烯/間二甲苯進(jìn)行模擬,考察了污染物間的相互影響.

1 實驗裝置及測試方法

1.1 實驗系統(tǒng)的建立

采用鼓泡法制備模擬廢氣,將總流量設(shè)為0.5 L/min,把一定濃度的四氯乙烯/間二甲苯混合氣體引入線-筒式反應(yīng)器,反應(yīng)器放電長度為42 cm,筒內(nèi)徑為3.2 cm,不銹鋼高壓線直徑為0.5 mm.反應(yīng)器由50 Hz正脈沖高壓電源供電,放電前后的目標(biāo)氣體濃度用氣相色譜儀(SRI-8610C)檢測.

1.2 CO2和CO選擇性的測定

本實驗尾氣中的CO2和CO通過氣相色譜儀(SRI 8610C)結(jié)合甲烷轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行檢測,色譜柱為1 m的Hayesep-D填充柱,檢測器為氫火焰檢測器.

CO2和CO選擇性的計算公式為

式中:S(CO2)——CO2選擇性;S(CO)——CO選擇性(%);φ(CO2)——尾氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)(%);φ(CO)——尾氣中CO的體積分?jǐn)?shù)(%);φ0——VOC初始體積分?jǐn)?shù)(%);φ1——尾氣中VOC體積分?jǐn)?shù)(%);ni——VOC中C原子數(shù).

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 混合VOCs與單一VOC降解效果的對比

混合VOCs和單一VOC的降解特性見表1.將2種污染物初始體積分?jǐn)?shù)各為0.02%時定為單一組分A,各為0.04%時定為單一組分B,混合組分的2種污染物初始體積分?jǐn)?shù)各為0.02%.

表1 混合物與單一物質(zhì)降解效果對比Tab.1 Com parison of the degradation between them ixture and single substance

對比混合組分與單一組分A降解效果發(fā)現(xiàn),混合后四氯乙烯和間二甲苯的最大降解率分別降低33.0%和22.7%,但對應(yīng)的能量效率分別增大0.6 g/(kWh)和1.3 g/(kW h).對比混合組分與單一組分B發(fā)現(xiàn),混合后四氯乙烯的最大降解率降低38.3%,對應(yīng)的能量效率減小3.1 g/(kW h),而間二甲苯的最大降解率增加18.6%,對應(yīng)的能量效率增大1.0 g/(kW h),因此2種物質(zhì)混合后降解率變化各不相同.并且,電壓由23.3 kV增大到28.6kV時,混合物中間二甲苯的降解率均比四氯乙烯高,說明間二甲苯較易降解.

2.2 間二甲苯初始體積分?jǐn)?shù)對混合VOCs降解率的影響

為了深入研究混合VOCs間的影響,考察了間二甲苯的初始體積分?jǐn)?shù)對混合VOCs的影響,結(jié)果見圖1.

圖1 間二甲苯初始體積分?jǐn)?shù)對VOCs降解率的影響Fig.1 Influence of 1,3-xylene initial volume fraction on VOCs removal efficiencies

當(dāng)間二甲苯初始體積分?jǐn)?shù)由0.01%增加到0.08%時,從圖1 a可知,電壓為27.8 kV時,間二甲苯降解率由79.80%減小到28.37%;由圖1 b可知,與間二甲苯單獨降解規(guī)律相似,電壓為28.1 kV時,混合物中間二甲苯的降解率降低了34.05%,而隨著間二甲苯體積分?jǐn)?shù)的增加,四氯乙烯降解率呈下降趨勢(圖1 c).由圖1 a和圖1 b可知,四氯乙烯的存在沒有改變間二甲苯降解率隨初始體積分?jǐn)?shù)增加而減小的趨勢.

2.3 四氯乙烯初始體積分?jǐn)?shù)對混合VOCs降解率的影響

為了更好地研究混合物間的影響,考察了四氯乙烯初始體積分?jǐn)?shù)對混合VOCs的影響,結(jié)果見圖2.

圖2 四氯乙烯初始體積分?jǐn)?shù)對VOCs降解率的影響Fig.2 Influence of tetrachloroethylene initial volume fraction on VOCs removal efficiencies

當(dāng)四氯乙烯的初始體積分?jǐn)?shù)由0.009%增大到0.08%時,由圖2 a可知,電壓為29.8 kV時,四氯乙烯的降解率由66.53%增大到93.84%,Oda等[3]研究表明,等離子體降解三氯乙烯時產(chǎn)生的中間產(chǎn)物對三氯乙烯的降解有促進(jìn)作用,四氯乙烯的中間產(chǎn)物可能對其也有促進(jìn)作用;但電壓為25.6 kV時,由于等離子體能量減少了,四氯乙烯的降解率先增大后降低.由圖2 b和圖2 c可知,隨著四氯乙烯體積分?jǐn)?shù)的增加,

29.8 kV時,混合物中四氯乙烯和間二甲苯的降解率分別減少31.31%和34.11%;對比圖1 a,圖2 a和圖2 b發(fā)現(xiàn),間二甲苯的存在改變了四氯乙烯降解率隨初始體積分?jǐn)?shù)增大而增大的趨勢.

2.4 混合VOCs與單一VOC碳平衡對比

為了進(jìn)一步研究混合氣體的降解特性,考察了混合VOCs的碳氧化物選擇特性,結(jié)果見表2.

表2 混合物與單一物質(zhì)碳氧化物選擇性對比Tab.2 Difference of the carbon oxides selectivity between the m ixture and single substance

由表2可知,單一組分中,四氯乙烯的(CO+CO2)選擇性比間二甲苯的大,說明四氯乙烯更易礦化.當(dāng)電壓為28.6 kV時,單一組分B中間二甲苯和四氯乙烯的(CO+CO2)選擇性比單一組分A的分別降低23.03%和40.7%,說明增加污染物初始體積分?jǐn)?shù)不利于碳氧化物的生成;對比混合組分與單一組分發(fā)現(xiàn),混合物中CO選擇性比單一組分A中間二甲苯和四氯乙烯的分別低2.7%和21.8%,CO2選擇性分別低4.5%和39.5%;但混合組分的(CO+CO2)選擇性比單一組分B中的間二甲苯大15.83%,比四氯乙烯的小20.6%.污染物混合后碳氧化物的生成量發(fā)生改變,降低了污染物的礦化程度.

3 結(jié)論

1)混合VOCs中,電壓為28.6 kV時,四氯乙烯和間二甲苯的降解率比初始體積分?jǐn)?shù)為0.02%的2種單一物質(zhì)分別降低33.0%和22.7%,但能量效率增大0.6 g/(kWh)和1.3 g/(kW h);與初始體積分?jǐn)?shù)為0.04%的2種單一物質(zhì)相比,混合后四氯乙烯的降解率降低38.3%,而間二甲苯的降解率增加18.6%;

2)混合物中,間二甲苯的降解率均比四氯乙烯的大,間二甲苯的存在,改變了四氯乙烯的降解趨勢;

3)四氯乙烯比間二甲苯易礦化,污染物混合后,碳氧化物的生成量發(fā)生改變.

[1]李鍛,王洪昌,張娣,等.用無聲放電同時降解氣態(tài)混合污染物四氯乙烯/間二甲苯[J].河北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,27(6):615-619.

[2]WANG Hongchang,L IDuan,WU Yan,et al.Removal of four kinds of volatile organic compoundsm ixture in air using silent discharge reacto r d riven by bipolar pulsed pow er[J].Journal of Electrostatics,2009,67:547-553.

[3]ODA T,TAKAHAHSH I T,YAMAJI K.Nonthermal p lasma p rocessing fo r dilute VOCs decomposition[J].IEEE Transactions on Industry App lications,2002,38(3):873-878.

(責(zé)任編輯:趙藏賞)

Decomposition of Tetrachloroethylene and 1,3-xylene M ixture in a W ire-tube Pulsed Corona Reactor

NA Gang1,LIDuan1,2,WU Yan1,2,LIJie1,2,LU Na1,2
(1.School of Environmental and Biological Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.Institute of Electrostatic and Special Power,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

A w ire-tube reactor initiated by pulsed high voltage was used to remove the vo latile o rganic compounds(VOCs)mixtu re of tetrachlo roethylene and 1,3-xylene to investigate the characteristics of their degradation.The results indicated that at the pulse vo ltage of 28.6 kV,the degradation efficienciesof tetrachlo roethylene and 1,3-xylene in mix ture were 33.0%and 22.7%lower than that in single po llutant w ith initial volume percentage of 0.02%,respectively.A s compared w ith the single pollutant w ith initial volume percentage of 0.04%,the degradation efficiency of tetrachlo roethylene in mixture decreased by 38.3%,w hile there was an increase of 18.6%fo r 1,3-xylene degradation.The p resence of 1,3-xylene in mixture impacted the degradation characteristicsof tetrachlo roethylene.The mineralization of tetrachloroethylene wasm uch easier than that of 1,3-xylene.

mixed VOCs removal;pulse high voltage;carbon oxides selectivity

X 511

A

1000-1565(2010)05-0534-04

2010-04-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(50678031)

那剛(1984—),男,黑龍江七臺河人,大連理工大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事大氣污染對策技術(shù)的研究.

李鍛(1960—),男,遼寧大連人,大連理工大學(xué)副教授,主要從事大氣污染對策技術(shù)的研究.