低溫等離子體在艦船空氣凈化處理中的應(yīng)用

劉輝,杜紅霞

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

?

低溫等離子體在艦船空氣凈化處理中的應(yīng)用

劉輝,杜紅霞

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

采用低溫等離子體直接處理和低溫等離子體-吸附技術(shù)聯(lián)合處理2種方式，分別開(kāi)展對(duì)沙林模擬劑DMMP的降解試驗(yàn)。低溫等離子體直接處理染毒空氣實(shí)驗(yàn)中，分別考察脈沖電壓、脈沖頻率、初始濃度和放電時(shí)間等因素對(duì)DMMP降解率的影響，并對(duì)DMMP降解產(chǎn)物進(jìn)行分析。結(jié)果表明，降解率隨脈沖電壓、脈沖頻率、放電時(shí)間的增加而增加，隨初始濃度的增加而降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中含有CO2、H2O、丙酸、甲基磷酸甲酯和磷酸等。低溫等離子體-吸附技術(shù)聯(lián)合凈化處理染毒空氣的研究結(jié)果表明，DMMP被強(qiáng)電離放電氣體迅速降解，分解了污染物，實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生。

低溫等離子體;染毒空氣;凈化處理

目前，利用低溫等離子體技術(shù)去除空氣中污染物成為國(guó)內(nèi)外研究的熱門課題之一[1-12]。低溫等離子體技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行、對(duì)氣流幾乎無(wú)阻力、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)徹底、幾乎對(duì)空氣中所有污染物都具有治理能力的優(yōu)點(diǎn)，因此在化學(xué)毒劑處理方面也具有良好的應(yīng)用前景。結(jié)合艦船在核生化工況下對(duì)染毒空氣的處理需求，采用低溫等離子體凈化處理典型化學(xué)毒劑沙林模擬劑DMMP，分析降解率的影響因素和降解產(chǎn)物，為低溫等離子體技術(shù)在艦船染毒空氣凈化處理領(lǐng)域進(jìn)行探索。

1 低溫等離子體直接凈化處理原理

為了驗(yàn)證該技術(shù)的可行性，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖1。采用水浴加熱產(chǎn)生的沙林模擬劑DMMP蒸汽與空氣混合后由鼓風(fēng)機(jī)增壓進(jìn)入等離子體發(fā)生器，通過(guò)改變壓力、濃度、電壓、頻率等因素考察DMMP在不同條件下的降解效率。

將含有一定濃度DMMP的空氣調(diào)至預(yù)定流速，分別考察脈沖電壓、脈沖頻率、初始濃度和放電時(shí)間等因素對(duì)DMMP降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)2～5。試驗(yàn)結(jié)果表明：脈沖電壓較低時(shí)，DMMP降解率隨電壓的升高迅速提高；脈沖電壓較高時(shí)，在脈沖頻率較低的情況下就能取得較高的DMMP降解率；而電壓較低時(shí)，DMMP降解率隨脈沖頻率增加而提高至脈沖頻率達(dá)一定值后，DMMP降解率變化趨緩；隨著氣體初始濃度的增大，DMMP降解率幾乎呈直線下降；在放電時(shí)間較短的情況下，反應(yīng)不完全，DMMP降解率較低，隨放電時(shí)間延長(zhǎng)，DMMP降解率提高，但10 min后反應(yīng)接近動(dòng)態(tài)平衡而趨于不變。

采用GC-MS氣質(zhì)聯(lián)用儀和離子色譜儀對(duì)DMMP降解產(chǎn)物進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。產(chǎn)物中含有CO2、H2O、丙酸、甲基磷酸甲酯和磷酸等。

2 低溫等離子體-吸附技術(shù)聯(lián)合凈化處理原理

染毒空氣中污染物一般含量較低，直接使用等離子體處理能耗較高。吸附作用可以使污染物相對(duì)富集，然后使用等離子體提供能場(chǎng)改變吸附材料和吸附質(zhì)之間的結(jié)合力并可以降解吸附質(zhì)從而強(qiáng)化脫附過(guò)程，所以，等離子體與吸附相結(jié)合后放電能量的有效利用率將大大提高。

等離子體強(qiáng)化脫附過(guò)程主要有以下方式(見(jiàn)圖7)：待凈化空氣由上至下通入反應(yīng)器，經(jīng)吸附劑床層吸附。實(shí)驗(yàn)中，如果通入待凈化空氣同時(shí)開(kāi)始放電，則稱為連續(xù)放電法，此時(shí)固定地電極位置不變，若吸附劑放在Position A位置則稱為連續(xù)放電一段法；吸附劑放在Position B則稱為連續(xù)放電兩段法；而如果先通入待凈化空氣吸附一段時(shí)間之后，再在相同空速的純凈空氣氣氛下放電，則稱為間歇放電法，同樣，吸附劑放置在Position A位置稱為間歇放電一段法；放在Position B位置稱為間歇放電兩段法。

一段連續(xù)法是目前較常用的處理方法，研究結(jié)果表明吸附劑對(duì)污染物的吸附是影響等離子體對(duì)污染物分解過(guò)程的一個(gè)重要因素。等離子體與吸附劑聯(lián)用，得到較好的降解效果，原因有2點(diǎn)。①吸附劑一般是具有中空、高度規(guī)則性的籠狀多面體的結(jié)構(gòu)群，多面體之間有尺寸均一的孔道相通，形成四通八達(dá)的微晶體，因而內(nèi)部比表面積大，污染物會(huì)在其表面形成富集區(qū)；②大部分吸附劑是親水材料，其表面有大量的羥基集團(tuán)，在等離子體產(chǎn)生過(guò)程中被轉(zhuǎn)化為OH·自由基，起到強(qiáng)氧化作用。在丙烷去除實(shí)驗(yàn)中，以5A分子篩作為吸附劑與等離子體聯(lián)用，其去除率達(dá)85%，而不加吸附劑條件下，只有17%的丙烷轉(zhuǎn)化。采用沿面放電，以Na-ZSM5為催化劑，處理體積分?jǐn)?shù)0.001(1 000 ppm)的三氯乙烯廢氣，當(dāng)處理30 min時(shí)，三氯乙烯轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%。但是可以看到，對(duì)于有些如生化毒劑類的污染物即是達(dá)到98%以上的脫除率仍然滿足不了目標(biāo)要求，所以針對(duì)這些領(lǐng)域一段連續(xù)法的應(yīng)用還有一定局限性。

兩段連續(xù)法雖然也可以取得較好的凈化效果，但是等離子體放電效率太低，且對(duì)于及微量的污染物在吸附劑上的累積沒(méi)有較有效的解決方案；兩段間歇法主要以等離子體放電產(chǎn)生的O3作為氧化劑氧化分解污染物，同樣，僅以等離子體放電產(chǎn)生的O3的效率較低，且完全氧化分解耗時(shí)較長(zhǎng)。

根據(jù)以上的分析可以看出，等離子體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的降解，但制約因素是放電效率和降解率；吸附可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微量污染物的富集，但是其處理能力受吸附量和再生效果限制，而更多情況下是再生效果的影響。綜合分析，對(duì)于凈化效果要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域(如生化毒劑過(guò)濾)一段間歇法是2種技術(shù)有效結(jié)合的最佳方式。下面以等離子體-吸附法降解空氣中DMMP為例對(duì)一段間歇法進(jìn)行具體說(shuō)明。

含一定濃度的DMMP空氣由上至下通入反應(yīng)器中，經(jīng)吸附劑床層吸附。吸附一定時(shí)間后停止進(jìn)氣并開(kāi)始放電，即采用一段間歇法去除空氣中所含DMMP，同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，DMMP被強(qiáng)電離放電氣體迅速降解，降解反應(yīng)以自由基反應(yīng)為主，活性極高的羥基自由基可以無(wú)選擇地攻擊DMMP中的CH3—P鍵、P—OCH3鍵、O—CH3等化學(xué)鍵，生成磷酸酯類、烷基磷酸酯類、甲基磷酸、磷酸根、CO2等中間產(chǎn)物，如圖9所示。經(jīng)過(guò)對(duì)中間產(chǎn)物的檢測(cè)和對(duì)反應(yīng)現(xiàn)象的分析，推測(cè)降解過(guò)程主要有4條反應(yīng)路徑,見(jiàn)圖10。

根據(jù)產(chǎn)物分析，等離子體輔助吸附劑再生過(guò)程包括3個(gè)部分。

1)再生過(guò)程吹掃改變吸附劑周圍濃度梯度，污染物由吸附劑孔道逆向擴(kuò)散解吸；

2)污染物分子被吸附劑顆粒表面化學(xué)吸附后，分子鍵變松弛，鍵長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)；而且，當(dāng)吸附劑顆粒置入等離子反應(yīng)器腔體中時(shí)，等離子體反應(yīng)腔中的場(chǎng)強(qiáng)分布將發(fā)生很大的變化，吸附劑顆粒表面部分區(qū)域會(huì)產(chǎn)生比原有電場(chǎng)強(qiáng)很多的局部強(qiáng)電場(chǎng)。所以，等離子體放電產(chǎn)生能場(chǎng)改變了吸附質(zhì)與吸附劑間的吸附力而導(dǎo)致吸附質(zhì)從吸附劑表面脫離；

3)等離子體放電產(chǎn)生高能電子而氧化分解了污染物，實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生。圖10是DMMP分解過(guò)程中的主要反應(yīng)，在等離子體放電條件下，空氣電離產(chǎn)生高能電子，高能電子分別與O2及H2O碰撞，生成O原子和OH自由基，這是整個(gè)反應(yīng)的起始步驟；H2O、CH3和OH分別與DMMP碰撞，生成大量中間產(chǎn)物；生成的中間產(chǎn)物繼續(xù)與CH3和OH作用，最終生成CO2、H2O、H3PO4和C3H7PO (CH3O)2等。

3 結(jié)論

[1] 杜長(zhǎng)明,陳尊裕,王靜,等.活性炭吸附和脫附-等離子體氧化凈化有機(jī)廢氣的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,11(4):2557-2560.

[2] 李潔,李堅(jiān),金毓荃.低溫等離子體技術(shù)處理?yè)]發(fā)性有機(jī)物[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2006,7(6):101-105.

[3] 吳春篤,周建軍,儲(chǔ)金宇,等.強(qiáng)電離放電等離子體洗消沙林模擬劑DMMP試驗(yàn)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(6):623-626.

[4] 劉娟.用等離子體技術(shù)處理環(huán)境污染物的研究進(jìn)展[J].渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,20(5):14-15.

[5] 曾榮輝,葉代啟.有毒有害氣體低溫等離子體催化處理反應(yīng)器[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2004,5(3):90-94.

[6] 王銀生.等離子體技術(shù)在有毒有害氣體凈化中的應(yīng)用[J].兵工安全技術(shù),1999,98(6):25-27.

[7] 楊新樺.高壓脈沖電暈等離子體凈化發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣主要有害氣體的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2003.

[8] 楊偉生,李曉,李洪.等離子體技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的研究狀況[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2009(2):41-44.

[9] 江超,程來(lái)星.用于氣體消毒的等離子體發(fā)生器的研究[J].環(huán)境工程,2009,27(4):76-78,93.

[10] 劉南.微波等離子體處理環(huán)境污染物的研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2008.

[11] 李戰(zhàn)國(guó),胡真,曹鵬.脈沖電暈等離子體降解有毒氣體研究[C].2010中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(第四卷)，2010.

[12] 李偉,季天仁,崔瑞禎,等.微波等離子體處理危險(xiǎn)廢物技術(shù)[C].第十二屆全國(guó)微波能應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2005.

Application of Low Temperature Plasma in Exposure Air Purification Treatment of Warships

LIU Hui, DU Hong-xia

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Two treatment kinds of low temperature plasma directly and combined adsorption technology were used to study the degradation of DMMP. In the test of exposure air purification treatment by low temperature plasma directly, the effects of pulse voltage, pulse frequency, initial concentration and discharge time on the degradation rate of DMMP were investigated, and the degradation products were analyzed. The results show that the degradation rate of DMMP increases as the rising of pulse voltage, pulse frequency and discharge time, while decreasing with the rising of gas inlet concentration. CO2, H2O, propionic, methylphosphonate and phosphoric acid are found in the outlet gas. In the test of exposure air purification treatment by low temperature plasma combined adsorption technology, it was shown that DMMP is rapidly degraded by strong ionization gas, pollutants are broken down.

low temperature plasma; exposure air; purification treatment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.038

2017-03-07

劉輝(1971— )，男，碩士，高級(jí)工程師

研究方向：船舶系統(tǒng)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0156-04

修回日期：2017-03-27