低溫等離子體技術(shù)降解果蔬貯藏環(huán)境中的乙烯

陳姍姍，馮濤

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004）

乙烯又被稱為植物催熟激素，它是果蔬在成熟過程中的一種自然代謝物。乙烯濃度高時，將增強果蔬的呼吸作用，加速成熟和衰老過程，不利于貯藏保鮮，因此在果蔬貯藏過程中要盡量降低環(huán)境中的乙烯濃度，以延長果蔬的貯藏時間[1]。

目前脫除果蔬貯藏環(huán)境中乙烯的方法主要有吸附法、氧化法、催化法等，但每種方法都存在著各自的局限性，在實際應(yīng)用中受到一定的限制[2-4]。Vercammen等[5]在1997年報道了低溫等離子體技術(shù)可以有效的去除低濃度的有機化合物。自此，該技術(shù)在氣態(tài)污染物的治理方面便引起了人們的極大關(guān)注[6-8]，但在果蔬貯藏環(huán)境中應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)降解乙烯的研究并不深入。

本文利用自行研制的介質(zhì)阻擋放電（DBD）反應(yīng)器對模擬果蔬貯藏環(huán)境中的低濃度乙烯進行降解研究，以期為低溫等離子體技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供有價值的理論和實驗參考。

1 實驗裝置和方法

實驗裝置由DBD反應(yīng)器、交流高壓電源、模擬乙烯氣體產(chǎn)生系統(tǒng)、電壓采集系統(tǒng)和氣體在線分析系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

DBD反應(yīng)器為一圓筒形石英玻璃管（外徑12 mm，內(nèi)徑10 mm，長20 cm），正負電極分別由直徑6 mm的不銹鋼棒和一定寬度的導(dǎo)電膠帶構(gòu)成。交流高壓由YD型交流高壓電源供給，采用P6015A型高壓探頭和TDS3054B型示波器采集電壓電流數(shù)據(jù)。用D07-7B/ZM型質(zhì)量流量計控制乙烯初始濃度，并將其與N2和O2模擬的空氣經(jīng)混合器混合并冷卻后（4℃，TCL502型冷熱兩用水浴）進入DBD反應(yīng)器。乙烯的濃度由兩臺SP3430型氣相色譜在線分析（FID檢測，色譜柱為固定相Porapak Q）。

1.1 儀器

YD型高壓交流電源：北京機電院高技術(shù)股份有限公司；TDS3054B示波儀、P6015A高壓探頭、TCP202電流探頭：美國泰克（Tektronix）科技公司；D07-7B/ZM質(zhì)量流量計：北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司；TCL502冷熱兩用水?。亨嵵菽媳眱x器設(shè)備有限公司；SP3430氣相色譜：北京北分瑞利分析儀器有限責(zé)任公司。

乙烯的去除率由式（1）計算。

式中：C0、C分別為DBD反應(yīng)器進、出口乙烯的濃度，（mg/L）。

定義能量密度P（J/L）為注入給DBD反應(yīng)器中單位體積氣體的能量，由交流高壓電源提供的電壓與電流平均值計算得到。能量效率ηd（mol-C2H4/kWh）定義為每單位電能去除的乙烯摩爾數(shù)，見式（2）。

式中：Q為混合氣體流量，（mL/min）；T為DBD反應(yīng)器進口處氣體溫度。

2 結(jié)果和分析

2.1 典型的電壓電流波形

圖2為采集到的DBD放電典型的電壓電流波形（電壓均值為7.8 kV），盡管從電壓波形上看不到明顯的放電產(chǎn)生，但從電流波形上顯示的大量脈沖電流證明了電暈放電的發(fā)生。

圖2 典型的電壓電流波形Fig.2 Typical waveforms of voltage and current

2.2 導(dǎo)電膠帶寬度對乙烯去除率與能量效率的影響

首先考察導(dǎo)電膠帶寬度對乙烯去除率與能量效率的影響。在混合氣體流量為200 mL/min，乙烯初始濃度為1.5 mg/L，導(dǎo)電膠帶寬度分別為1、3、10 mm的試驗條件下，乙烯的去除率隨高壓交流電源輸出電壓均值的變化情況如圖3所示。

由圖3可知，隨著電壓的增加，乙烯的去除率幾乎成線性增長。另外，當電壓均值為8.5 kV，導(dǎo)電膠帶寬度為10 mm時，乙烯的去除率達到了95%，而1 mm導(dǎo)電膠帶寬度此時的去除率只有70%。這是由于在其他條件不變的情況下，隨著電壓與導(dǎo)電膠帶寬度的增加傳入反應(yīng)體系的能量也隨之增大，導(dǎo)致氣體放電產(chǎn)生更多的高能電子與·OH、O·等活性自由基，同時導(dǎo)電膠帶寬度的增加也使得乙烯在反應(yīng)器中的停留時間延長，從而提高了乙烯的去除率。

在不同的導(dǎo)電膠帶寬度下，乙烯的能量效率隨電壓均值的變化情況如圖4所示。

圖3 導(dǎo)電膠帶寬度對乙烯去除率的影響Fig.3 Effect of electric conductive tape width on removal rate of ethylene

圖4 導(dǎo)電膠帶寬度對乙烯能量效率的影響Fig.4 Effect of electric conductive tape width on energy efficiency of ethylene

由圖4可知，等離子體氧化乙烯的能量效率亦隨著導(dǎo)電膠帶的寬度增加而增加。當電壓均值為8.5 kV，導(dǎo)電膠帶寬度為10 mm時，等離子體降解乙烯的能量效率達到0.22 mol/kWh。而隨著反應(yīng)體系電壓均值的增加，乙烯的能量效率也增加，當放電電壓達到5.8 kV以后，能量效率逐漸趨于穩(wěn)定，因此在反應(yīng)體系中并不是一味的增加放電電壓就能取得良好的能量效率。

2.3 乙烯初始濃度對去除率影響

固定導(dǎo)電膠帶寬度為10 mm，在其他實驗條件不變的情況下，調(diào)節(jié)乙烯初始濃度分別為1、1.5、2 mg/L，乙烯的去除率隨高壓交流電源輸出電壓均值的變化情況如圖5所示。

圖5 乙烯初始濃度對去除率的影響Fig.5 Effect of initial concentration on removal rate of ethylene

實驗結(jié)果表明，乙烯的去除率隨著濃度的增加而降低，在放電電壓為7.3 kV條件下，初始濃度為2 mg/L的乙烯的去除率為85%，而初始濃度為1 mg/L的乙烯的去除率則達到了100%。這是由于在注入反應(yīng)器的能量一定的條件下，乙烯初始濃度增大，雖然等離子區(qū)的活性粒子與乙烯發(fā)生碰撞、反應(yīng)的機會增大，乙烯的絕對去除量也相應(yīng)增大，但是高能電子與活性自由基數(shù)量一定，乙烯數(shù)量增多，則每個乙烯分子與電子或活性自由基碰撞的機會減小，因此乙烯的去除率減小。

3 結(jié)論

1）乙烯的去除率隨著乙烯初始濃度的增加而降低，隨著放電電壓與導(dǎo)電膠帶寬度的增加而增加。當電壓均值為7.3 kV，乙烯初始濃度為1 mg/L，導(dǎo)電膠帶寬度為10 mm時，乙烯的去除率達到了100%。

2）乙烯的能量效率隨著放電電壓與導(dǎo)電膠帶寬度的增加而增加。當電壓均值為8.5 kV，乙烯初始濃度為1.5 mg/L，導(dǎo)電膠帶寬度為10 mm時，等離子體降解乙烯的能量效率達到0.22 mol/kWh。

3）盡管低溫等離子體技術(shù)是一種可行且有效的降解果蔬貯藏環(huán)境中乙烯方法，但是過高的處理成本成為該項技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸，因此，如何降低成本，提高處理效率將成為該技術(shù)今后主要的發(fā)展方向。

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