脈沖電暈結(jié)合催化劑降解二氯甲烷研究

,,,,

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 杭州 310014;2.紹興市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,浙江 紹興 312000)

二氯甲烷(DCM)作為一種有機(jī)溶劑和洗滌劑，被廣泛應(yīng)用于膠片生產(chǎn)和醫(yī)藥化工等領(lǐng)域.這些生產(chǎn)工藝可以產(chǎn)生大量的二氯甲烷廢氣，如直接進(jìn)行排放，必將嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，同時(shí)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害.目前二氯甲烷的常規(guī)處理方法有燃燒法和催化降解法.但它們都存在著能耗大、容易產(chǎn)生二次污染[1]、催化劑容易失活[2]等缺陷，不利于工業(yè)推廣.脈沖電暈等離子體技術(shù)作為一種新發(fā)展的VOC治理技術(shù)之一，已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究[3-5]，它可在常溫常壓下進(jìn)行，具有能耗低，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn).但目前脈沖電暈法處理VOCs技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，在工業(yè)上應(yīng)用較少.因此，對(duì)其降解機(jī)理、產(chǎn)物、去除效果等尚需深入研究.本實(shí)驗(yàn)采用線-筒式脈沖電暈反應(yīng)器進(jìn)行降解二氯甲烷模擬廢氣.探討脈沖電暈法去除二氯甲烷廢氣的效果，考查了峰值電壓、氧氣體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)對(duì)降解二氯甲烷的影響.分析了二氯甲烷分別在純氮?dú)夂陀醒鯕馇闆r下的反應(yīng)產(chǎn)物及機(jī)理.為了提高去除率，在體系中加入TiO2催化劑，將非熱等離子體結(jié)合催化劑來(lái)協(xié)同降解二氯甲烷，這是對(duì)單純電暈法處理有機(jī)廢氣的一種優(yōu)化[6].

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

二氯甲烷(杭州雙林化工試劑有限公司，分析純)；氨水(杭州龍山精細(xì)化工有限公司，分析純)；硫酸鈦(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，化學(xué)純)；實(shí)驗(yàn)所用氣體為高純N2和高純Ar；實(shí)驗(yàn)所用的水為去離子水.

氣相色譜儀(GC-2014,FID, 30 m×0.25 mm×0.25 μm Rtx-1，日本島津)；傅里葉紅外光譜儀(AVATAR370,美國(guó)Nicole公司)；ICS-900離子色譜儀(Dionex，ICS900)；YP-2壓片機(jī).

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，鋼瓶2中的氮?dú)馔ㄟ^減壓閥和流量計(jì)后，分成兩路，一路通過裝有二氯甲烷液體的吹脫瓶進(jìn)行鼓吹帶出，另一路則直接通入緩沖瓶，在緩沖瓶形成混合氣體后進(jìn)入反應(yīng)器(根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要打開鋼瓶1，加入一定比例氧氣到緩沖瓶中).氣體流量通過流量計(jì)來(lái)調(diào)節(jié).在反應(yīng)器前后兩端分別設(shè)有一個(gè)采樣口，采集的氣體通過氣相色譜儀測(cè)定，用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行產(chǎn)物分析.二氯甲烷降解會(huì)產(chǎn)生HCl，本實(shí)驗(yàn)通過蒸餾水二級(jí)吸收來(lái)收集HCl，其含量采用ICS-1000離子色譜儀來(lái)測(cè)定.

1—氧氣鋼瓶；2—氮?dú)怃撈浚?—5—?dú)怏w流量計(jì)；6—二氯甲烷；7—緩沖瓶；8—反應(yīng)器；9—10—取樣口；11—?dú)庀嗌V儀；12—傅里葉紅外；13—高壓電源控制器

脈沖高壓電源采用典型的旋轉(zhuǎn)火花開關(guān)(RSG)來(lái)產(chǎn)生脈沖高壓，其具有上升沿陡峭、脈寬窄的特點(diǎn)，電源的主要技術(shù)性能如下：輸出極性為正，輸出電壓0～60 kV，額定輸出功率100 VA，脈沖寬度≤500 ns，前沿上升時(shí)間≤100 ns，重復(fù)頻率0～200 Hz連續(xù)可調(diào).

實(shí)驗(yàn)采用的電暈反應(yīng)器為線-筒式反應(yīng)器，圓筒材料為玻璃管，內(nèi)徑38 mm，內(nèi)壁襯有0.3 mm厚的鋁箔作為接地極，電暈線為直徑φ0.8 mm的不銹鋼絲，放電有效長(zhǎng)度為100 mm，反應(yīng)器有效容積為113 mL.

實(shí)驗(yàn)采用電暈放電結(jié)合催化劑時(shí)，在反應(yīng)器的鋁箔上均勻涂上一層TiO2(銳鈦型)催化劑，形成復(fù)合電極.TiO2的制作方法[7]：準(zhǔn)確配制一定濃度的Ti(SO4)2：在磁力攪拌的情況下沸騰回流，強(qiáng)迫水解數(shù)小時(shí)后，用氨水調(diào)pH為8～10，保溫陳化，抽慮，洗滌，105 ℃烘干、煅燒2 h，冷卻至室溫即得到所需的TiO2粉體.復(fù)合電極制作方法：把60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水和40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiO2粉末混合后的漿液均勻地涂覆在反應(yīng)器內(nèi)鋁箔內(nèi)表面，在空氣中自然晾干l h后，在馬弗爐550 ℃下烘干2 h成型，厚度約1.0 mm.

二氯甲烷去除率(η)計(jì)算式為

(1)

式中：Ci為進(jìn)口處二氯甲烷氣體的質(zhì)量濃度，mg/m3；Co為出口處二氯甲烷氣體的質(zhì)量濃度，mg/m3.

2 結(jié)果與討論

2.1 二氯甲烷在氮?dú)庀碌娜コЧ?/h3>

本實(shí)驗(yàn)首先研究了無(wú)TiO2催化劑體系：以氮?dú)鉃檩d氣，對(duì)初始質(zhì)量濃度為(1 500±30) mg/m3二氯甲烷的去除效果進(jìn)行考察.氣體總流量500 mL/min(氣體在反應(yīng)器內(nèi)有效停留時(shí)間約為14 s)，脈沖頻率50 Hz.圖2為電壓與二氯甲烷去除率的關(guān)系.

圖2 DCM去除率和HCl生成量與電壓關(guān)系

從圖2可以看出：當(dāng)峰值電壓從12.5 kV上升到25 kV時(shí)，二氯甲烷在氮?dú)庀碌娜コ蕪?2.4%提高到82.5%.同時(shí)HCl的生成量也隨著電壓的增大而上升，最大HCl質(zhì)量濃度達(dá)到335 mg/m3左右，表明二氯甲烷得到有效的降解.在氮?dú)夥諊?，二氯甲烷首先通過電子附著反應(yīng)使得其分解過程產(chǎn)生活性Cl和活性H，同時(shí)氮?dú)夥肿颖桓吣茈娮蛹ぐl(fā)形成活性氮?dú)夂偷樱詈蠖燃淄榕c這些活性物質(zhì)反應(yīng)生成最終產(chǎn)物，主要反應(yīng)式[8-12]分別為

e-+CH2Cl2→CH2Cl+Cl+e-

(2)

e-+CH2Cl2→CHCl2+H+e-

(3)

CH2Cl2+Cl→CHCl2+HCl

(4)

CH2Cl2+Cl→CH2Cl+Cl2

(5)

CH2Cl2+H→CH2Cl+HCl

(6)

CH2Cl2+H→CHCl2+H2

(7)

(8)

CH2Cl2+N*→CH2Cl+NCl

(9)

Cl+Cl+M→Cl2+M

(10)

根據(jù)物料守恒可以發(fā)現(xiàn)：50%左右從二氯甲烷降解得到的氫原子最后通過式(3,6)轉(zhuǎn)化為HCl，由于H—Cl單鍵較為穩(wěn)定，形成的HCl很難被再次分解[13].氯原子也可通過式(10)最終形成氯氣(M為中性分子)[14].二氯甲烷轉(zhuǎn)換成的CH2Cl和CHCl2進(jìn)一步通過自由基反應(yīng)，可以產(chǎn)生CCl4和HCN等物質(zhì)[15].

圖3為在純氮?dú)猸h(huán)境下，二氯甲烷反應(yīng)產(chǎn)物的傅立葉紅外譜圖.二氯甲烷主要?dú)庀喈a(chǎn)物為HCl及少量CCl4.由于背景氣中不可避免的存在氧氣，在傅里葉紅外產(chǎn)物中也發(fā)現(xiàn)了少量CO和CO2.在反應(yīng)后的電暈絲上發(fā)現(xiàn)較多的粒狀碳顆粒，管壁上有焦油狀物質(zhì)生成，這可以認(rèn)為二氯甲烷解離出來(lái)的碳原子可能以固態(tài)形式存在(如Cn)[13].

圖3 DCM在N2下的降解產(chǎn)物FT-IR譜圖

2.2 氧氣對(duì)二氯甲烷去除效果的影響

由于工業(yè)排放的二氯甲烷廢氣中常?；煊醒鯕?，更多情況是通過集氣罩對(duì)車間二氯甲烷廢氣進(jìn)行匯集，其背景氣體往往是空氣，故在以上實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，加入了不同氧氣濃度.圖4即為氧氣濃度對(duì)二氯甲烷去除效果的影響.

把圖4與圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)系統(tǒng)中加入體積分?jǐn)?shù)2%氧氣時(shí)，二氯甲烷的去除率明顯提高，最高去除率為90.6%.這是因?yàn)殡姇灻}沖釋放的高能電子與氧氣碰撞，產(chǎn)生高活性自由基O和OH等[16]，這些自由基可以快速與CH2Cl2反應(yīng)[8,17]，即

e-+O2→O(3P)+O(1D)+e-

(11)

CH2Cl2+O(3P)→CHCl2+OH

(12)

CH2Cl2+O(1D)→CH2Cl+ClO

(13)

CH2Cl2+OH→CHCl2+H2O

(14)

圖4 DCM在氮氧混合氣中的去除率與電壓關(guān)系

隨著進(jìn)一步的反應(yīng)，二氯甲烷被氧化生成CO2和CO.在圖5的二氯甲烷傅立葉紅外產(chǎn)物譜圖中檢測(cè)到了少量的H2O、大量CO2及CO，同時(shí)隨著電壓增大，CO2和H2O濃度增加，說(shuō)明二氯甲烷氧化程度隨電壓增大而增大[18].在氧氣存在的情況下，HCl的生成量明顯減少，故在圖5中沒有檢測(cè)到HCl.在氧氣存在下，還有一些副反應(yīng)發(fā)生[19]，如

CH2Cl+O→COCl2+H2

(15)

O+O2+M→O3+M

(16)

圖5 DCM在20%O2的N2中的降解產(chǎn)物FT-IR譜圖

通過紅外譜圖5，也發(fā)現(xiàn)有COCl2和O3生成，但臭氧被認(rèn)為與有機(jī)物的反應(yīng)速度常速較小，不是二氯甲烷的去除率提高的主要因素[19].

從圖4可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氧氣增加到10%和20%，二氯甲烷的去除率明顯減小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純氮?dú)庀碌亩燃淄槿コ?當(dāng)體系含有20%氧氣時(shí)，二氯甲烷的最大去除率為58.8%.這可能是因?yàn)椋貉鯕馐请娯?fù)性物質(zhì)，它會(huì)吸附電子，隨著氧氣濃度增加，氧氣吸附了過多了高能電子，從而阻礙了式(2,3)的進(jìn)行，增加了式(16)的幾率.有關(guān)研究表明[18]：當(dāng)體系中含有2%～4%氧氣時(shí)，二氯甲烷的氧化分解會(huì)加速，但當(dāng)氧氣含量超過4%，二氯甲烷去除率明顯降低，同時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生了更多O3與NOx.

2.3 TiO2催化劑對(duì)二氯甲烷去除效果的影響

為了提高二氯甲烷的去除效果，考慮在反應(yīng)器的接電鋁箔表面上鋪上一層1.0 mm厚度的TiO2(煅燒溫度為550 ℃).圖6為在TiO2催化劑下，二氯甲烷的去除效果.

圖6 當(dāng)加入TiO2，DCM在氮?dú)庵械娜コ逝c電壓關(guān)系

將圖6與圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)鋁箔電極上鋪上TiO2后，二氯甲烷在純氮?dú)庀碌娜コ实玫搅诵》忍岣?，最大去除率?2.5%提高到95.2%.TiO2提高二氯甲烷去除率的主要原因是：1) 由于在氮?dú)庀拢姇灧烹娺^程中會(huì)釋放較多的紫外光，Sprou等觀察到被激發(fā)的UV波長(zhǎng)在250～500 nm范圍內(nèi)，這正是TiO2的能量禁帶寬度(3.2 eV)[20]，理論上這將有助激活TiO2催化性能[21].激發(fā)的TiO2生成了電子空穴對(duì)，從而發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)[22-23]，與等離子體協(xié)同降解二氯甲烷；2) 鋁箔表面覆蓋了一層TiO2，相當(dāng)于增加了一層介電層，會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)，提高了平均電子能，有利于污染物的降解[24]，同時(shí)也減少了電暈過程中的火花放電和擊穿幾率.

當(dāng)在20%氧氣體系中加入TiO2后，二氯甲烷的去除率明顯增加，從12.5 kV的10%提高到25 kV的80.5%.在20 kV之后，TiO2對(duì)二氯甲烷的去除效果更加明顯，相對(duì)無(wú)TiO2的相同體系下，提高了20%以上.這可能是隨著電壓增加，脈沖電暈釋放更多UV光，激發(fā)更多TiO2參與協(xié)同反應(yīng).

2.4 不同形態(tài)TiO2催化劑對(duì)二氯甲烷去除效果的影響

本實(shí)驗(yàn)還考慮了不同形態(tài)TiO2催化劑的催化性能，將TiO2催化劑分別在溫度250，400，550，650，800 ℃下進(jìn)行煅燒，冷卻后形成所需的TiO2粉末.實(shí)驗(yàn)條件：氣體總流量500 mL/min、氮?dú)鉃檩d氣、O2體積分?jǐn)?shù)20%、峰值電壓22.5 kV、脈沖頻率50 HZ、二氯甲烷初始質(zhì)量濃度為(1 500±30) mg/m3.

圖7 DCM的去除率與TiO2煅燒溫度的關(guān)系

從圖7可以發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是在純氮?dú)膺€是在氮?dú)庵屑尤?0%O2的條件下，二氯甲烷的去除率均先隨著TiO2煅燒溫度的提高而增加，當(dāng)煅燒溫度為550 ℃時(shí)，二氯甲烷去除率達(dá)到最大值.再提高TiO2的煅燒溫度，TiO2的催化性能開始降低.當(dāng)煅燒溫度為250 ℃時(shí)，TiO2的催化性能并不是很理想，這主要是250 ℃的催化劑中雖然也有以銳鈦礦型為主，但絕大部分Ti還是仍然以水合Ti4+形式存在，并沒有轉(zhuǎn)化成晶體TiO2.當(dāng)煅燒溫度提高到800 ℃，TiO2的晶體類型由銳鈦型向金紅石型轉(zhuǎn)變，并且溫度越高或同一溫度下加熱時(shí)間越長(zhǎng)，金紅石型TiO2所占比例就越大[7].許多研究也發(fā)現(xiàn)，銳鈦型TiO2對(duì)污染物有較好的去除效果，而金紅石型TiO2相對(duì)于銳鈦型而言，效果不佳，這是因?yàn)楸砻骐娮?空穴對(duì)復(fù)合速率較快，但研究也發(fā)現(xiàn)銳鈦型TiO2粉體與少量金紅石型TiO2共存，這樣催化效果最佳[25-26].

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用線-筒式脈沖電暈反應(yīng)器進(jìn)行了降解二氯甲烷模擬廢氣研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電壓的增加可以提高二氯甲烷的去除率，在純氮?dú)獗尘皻庵?，二氯甲烷的最大去除率可以達(dá)到82.5%；在氮?dú)庵屑尤?%的氧氣，可以提高二氯甲烷的去除效果，當(dāng)氧氣超過4%后[18]，二氯甲烷的去除率將會(huì)明顯降低，當(dāng)氧氣為20%時(shí)，二氯甲烷的去除率降為58.8%.HCl，CCl4，Cl2是二氯甲烷在純氮?dú)庀碌漠a(chǎn)物，當(dāng)氧氣加入后，二氯甲烷主要降解為：CO2，CO，COCl2和H2O，同時(shí)產(chǎn)生產(chǎn)物O3；TiO2催化劑提高了二氯甲烷的去除率，在純氮?dú)庀潞?0%氧氣下，最大去除率分別可提高到95.2%和80.5%，當(dāng)催化劑的煅燒溫度為550 ℃時(shí)，TiO2的催化性能最好.

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