填充床/沿面復(fù)合放電等離子體降解苯的研究

孟諾,魯娜,2,李國鋒,2,李杰,2,吳彥,2,李鍛,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)

填充床/沿面復(fù)合放電等離子體降解苯的研究

孟諾1,魯娜1,2,李國鋒1,2,李杰1,2,吳彥1,2,李鍛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)

研究填充床/沿面復(fù)合放電等離子體反應(yīng)器,用于對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile o rganic compounds,VOCs)的降解.該反應(yīng)器以置于石英介質(zhì)管內(nèi)的不銹鋼彈簧為高壓電極,以附著在有機(jī)玻璃管內(nèi)壁的不銹鋼網(wǎng)為低壓電極,將石英介質(zhì)管放于有機(jī)玻璃管中央,并于石英介質(zhì)管外與低壓電極間填充玻璃珠.采用交流高壓電源供電,實(shí)現(xiàn)在石英介質(zhì)管內(nèi)發(fā)生沿面放電,同時(shí)在石英介質(zhì)管外發(fā)生填充床放電.含污染物的氣體首先通過沿面放電區(qū)域,然后經(jīng)填充床放電區(qū)域排出.以苯為目標(biāo)物,考察了高壓電極彈簧外徑、玻璃珠尺寸對(duì)苯降解的影響,通過引入M nO2/γ-A l2O3催化劑參與反應(yīng),進(jìn)一步提高了苯的去除率.結(jié)果表明:在玻璃珠直徑6 mm、高壓電極彈簧外徑12 mm、放電間距12 mm、放電電壓27 kV、苯的初始體積分?jǐn)?shù)為0.011 4%的條件下,苯的處理效率高達(dá)75%.M nO2負(fù)載量為M nO2/γ-A l2O3催化劑質(zhì)量的10%,并填充于反應(yīng)器底部,苯的降解率達(dá)85%,去除效果提高.

填充床放電;沿面放電;復(fù)合放電;催化;苯

揮發(fā)性有機(jī)污染物(vo latile o rganic compounds,VOCs)來源廣泛且多數(shù)具有極強(qiáng)的毒性[1],如何經(jīng)濟(jì)、安全、有效地去除VOCs對(duì)環(huán)境保護(hù)和人體健康具有重要意義.傳統(tǒng)處理VOCs的方法有燃燒法、吸附法、生物法及膜分離法等,但都不同程度地存在去除效率低和產(chǎn)生二次污染的問題.低溫等離子體化學(xué)活性高,反應(yīng)速度快,對(duì)高、低濃度的VOCs均有很好的去除效果[2-4].其中,沿面放電可以產(chǎn)生大量活性物質(zhì),填充床放電能夠有效增加放電區(qū)域,因此應(yīng)用沿面放電反應(yīng)器與填充床反應(yīng)器處理VOCs研究較多.為了提高活性物質(zhì)的利用效率,增加污染物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間,本研究設(shè)計(jì)了填充床/沿面復(fù)合放電反應(yīng)器,并將其用于揮發(fā)性有機(jī)物苯的處理.

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,反應(yīng)器外筒由有機(jī)玻璃管制成,內(nèi)徑40 mm,長300 mm.高壓電極由不銹鋼絲彈簧制成,不銹鋼絲直徑1 mm,平均螺距5 mm,放電區(qū)域長200 mm,其緊密安裝在石英介質(zhì)管內(nèi)壁上.石英介質(zhì)管壁厚1.5 mm,長250 mm.低壓電極為緊貼在有機(jī)玻璃管內(nèi)壁的不銹鋼網(wǎng),長200 mm.石英介質(zhì)管置于有機(jī)玻璃管中心,石英介質(zhì)管外與低壓電極間填充玻璃珠.石英介質(zhì)管上端為進(jìn)氣口,氣體污染物首先通過沿面放電區(qū)域,然后經(jīng)填充床放電區(qū)域排出.

實(shí)驗(yàn)采用浸漬法制備催化劑M nO2/γ-A l2O3,M nO2在M nO2/γ-A l2O3中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%.稱取5 g M nO2/γ-A l2O3填充于反應(yīng)器底部,如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)以氮?dú)鉃檩d氣,利用鼓泡法得到苯氣體,苯的初始體積分?jǐn)?shù)為0.011 4%,空氣流量為0.4 L/min.采用工頻(50 Hz)交流高壓電源.在反應(yīng)器入口和出口處分別采樣,利用氣相色譜儀檢測放電前后苯的濃度;應(yīng)用數(shù)字示波器、電壓探頭和電流探頭對(duì)放電特性進(jìn)行觀測,通過測量的李薩如圖形計(jì)算出電源輸入反應(yīng)器的功率.

圖1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sketch of reactor

2 結(jié)果與討論

2.1 高壓電極對(duì)反應(yīng)器輸入功率和苯的降解率的影響

高壓電極彈簧外徑對(duì)于實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)器輸入功率、苯的降解率具有很大影響,結(jié)果如圖2所示.高壓電極彈簧外徑增大,反應(yīng)器的輸入功率變大(如圖2 a),當(dāng)輸入電壓為27 kV,高壓電極彈簧外徑分別為8,10,12和15 mm時(shí),保證放電區(qū)域長度不變,不銹鋼彈簧伸直長度分別為33.6,42.0,50.4和63.0 cm,對(duì)應(yīng)的電源輸入功率分別為3.46,3.87,4.23和5.03 W.由圖2 b可知,高壓電極彈簧外徑大有利于苯的降解.這是由于高壓電極彈簧外徑增加,沿面放電區(qū)域體積增大,污染物停留時(shí)間增長,放電等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)增多,提升了苯與放電等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)的接觸時(shí)間,導(dǎo)致苯的降解率得到提高,但同時(shí)也提高了能量消耗.其中,高壓電極彈簧外徑由12 mm增加到15 mm,苯的降解率僅提高了2.5%,而相應(yīng)的功率消耗增加了16%.由此,權(quán)衡反應(yīng)器耗能和苯的降解率,實(shí)驗(yàn)選用高壓電極彈簧外徑為12 mm.

圖2 高壓電極對(duì)電源輸入功率和苯的降解率的影響Fig.2 Effect of high voltage electrode on input power and the degradation efficiency of benzene

2.2 填充介質(zhì)玻璃珠直徑對(duì)苯的降解率的影響

為了進(jìn)一步研究反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)于苯的降解率的影響,實(shí)驗(yàn)比較了填充不同直徑玻璃珠條件下苯的降解效果,如圖3所示.從圖3可以看出,隨著電壓的升高,苯的降解率得到不斷地提升.在相同電壓下,小直徑玻璃珠有利于苯的降解.當(dāng)輸入電壓為27 kV、玻璃珠直徑為8 mm時(shí),苯的降解率為64%,而玻璃珠直徑減小為6 mm時(shí),苯的降解率提高到75%.原因是填充玻璃珠的直徑減小,其比表面積增大,拓寬了玻璃珠間放電區(qū)域,使放電強(qiáng)度增強(qiáng),產(chǎn)生更多活性粒子,使得苯的降解率提高[5].圖4為不同玻璃珠條件下的電流電壓圖,由圖4也可以看出直徑為6 mm的玻璃珠比8 mm的玻璃珠電流強(qiáng)度密集,放電強(qiáng)烈.綜合考慮,實(shí)驗(yàn)均采用直徑為6 mm的玻璃珠作為填充床介質(zhì).

圖3 填充玻璃珠直徑對(duì)苯的降解率的影響Fig.3 Effect of the diameter of glass beads on degradation eff iciency of benzene

圖4 不同玻璃珠條件下的放電電流電壓Fig.4 Voltage curren t waveform under different diametersof beads

2.3 M nO2/γ-A l2O3催化劑對(duì)苯的降解率的影響

為了進(jìn)一步提高反應(yīng)器對(duì)苯的處理效率,實(shí)驗(yàn)考察了催化劑M nO2/γ-A l2O3對(duì)苯的降解率的影響,結(jié)果如圖5所示.加入催化劑M nO2/γ-A l2O3,輸入電壓為27 kV時(shí),苯的降解率由75%提高到85%.催化劑使放電產(chǎn)生的大量O3催化分解為氧化性更強(qiáng)的活性氧原子[6],使苯的降解率得到提升,有效提高了活性物質(zhì)的利用率.

圖5 MnO2/γ-Al2 O3對(duì)苯降解率的影響Fig.5 Effect of MnO2/γ-Al2 O3 on degradation eff iciency of benzene

3 結(jié)論

1)本文研究的填充床/沿面復(fù)合放電等離子體反應(yīng)器能夠有效降解苯,在玻璃珠直徑6 mm、高壓電極彈簧外徑12 mm、放電間距12 mm、放電電壓27 kV、苯初始體積分?jǐn)?shù)為0.011 4%的條件下,苯的處理效率達(dá)75%.

2)增加高壓電極彈簧外徑能夠提高苯的降解率.同時(shí),小直徑玻璃珠有利于苯的降解.

3)加入催化劑M nO2/γ-A l2O3后,放電等離子體中活性物質(zhì)的催化性能得到有效增強(qiáng).苯的降解率提高了10%,達(dá)到85%.

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Benzene Degradation by Packed-bed/Gas Phase Surface Hybrid Discharge System Reactor

MENGNuo1,LU Na1,2,LIGuo-feng1,2,LIJie1,2,WU Yan1,2,LIDuan1,2
(1.School of Environmental and Bio logical Science and Techno logy,Dalian University of Techno logy,Dalian 116024,China;2.Institute of Electrostatic and Special Pow er, Dalian University of Techno logy,Dalian 116024,China)

The degradation of volatile organic compounds,namely,benzene,by a packed-bed/gas phase surface discharge system reacto r was investigated.A stainless steel sp ring closing to the wall of a quartz tube was used as high vo ltage electrode and low-field electrode was a piece of metal woven mesh w hich was close to thewall of an organic glass tube.In order to achieve gas phase surface discharge in the quartz tube as well as packed-bed discharge out of the quartz tube,the quartz tube was fixed in the center of organic glass tube and lo ts of glass beadswere filled between quartz and metal woven mesh.High vo ltage alternating current power supp ly was used.Effects of diameter of high vo ltage electrode,glass beads and the M nO2/γ-A l2O3catalyst were investigated.The results showed that removal efficiency of benzene was reached 75%under the conditionsof using 6 mm glass beads,high voltage electrode diameter 12 mm,electrode distance 12 mm,voltage 27 kV and benzene initial vo lume fraction of 0.011 4%.The degradation efficiency of benzene w as fu rther inc reased to 85%w hen adding M nO2/γ-A l2O3loaded w ith 10% (mass f raction)M nO2at the bo ttom of the reactor.

packed-bed discharge;surface discharge;hybrid discharge;catalysis;benzene

X 511

A

1000-1565(2010)05-0530-04

2010-04-20

遼寧省高校優(yōu)秀人才計(jì)劃項(xiàng)目(2009R09);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20070141004)

孟諾(1985—),女,遼寧大連人,大連理工大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事環(huán)境等離子體技術(shù)方面的研究.

李杰(1964—),男,吉林九臺(tái)人,大連理工大學(xué)教授,主要從事環(huán)境等離子體技術(shù)方面的研究.

(責(zé)任編輯:趙藏賞)