套管式DBD等離子體降解乙酸乙酯影響因素研究

魏 恒 董曉丹

寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司（上海 201900）

乙酸乙酯是常見的酯類化合物，屬于揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），是一種無色易燃易揮發(fā)的液體。乙酸乙酯性質(zhì)穩(wěn)定，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，排入環(huán)境空氣中可對人們的生活和工作造成一定的影響，并對人體健康造成一定程度的危害，因而有關(guān)酯類工業(yè)廢氣的治理日益受到關(guān)注[1-7]。

介質(zhì)阻擋放電（DBD）技術(shù)具有空間反應(yīng)區(qū)域大，可在大氣壓強(qiáng)下工作，可防止在放電空間形成局部火花或弧光放電，有效降低能耗等優(yōu)點，具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景[8-10]。

本研究采用套管式DBD低溫等離子技術(shù)對流動態(tài)乙酸乙酯廢氣進(jìn)行降解，研究了管道風(fēng)速、外施電壓、反應(yīng)管級數(shù)、工作頻率等工藝參數(shù)對乙酸乙酯去除率的影響，提出了優(yōu)化的工藝運行條件。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品和儀器

1.1.1 氣體和試劑

高純氮（載氣）：純度≥99.999%，上海浦江特種氣體有限公司；空氣：上海五鋼氣體有限責(zé)任公司。工業(yè)氫氣：純度≥99.5%，上海中遠(yuǎn)化工有限公司；乙酸乙酯：純度≥99.5%，上海試劑一廠。

1.1.2 實驗儀器

GC930氣相色譜儀：上海海欣色譜儀器有限公司；CZR型離心引風(fēng)機(jī)（功率為60 W），上海興益風(fēng)機(jī)廠；QDF-3型熱球式風(fēng)速計，北京檢測儀器有限公司；2XZ-4型旋片式真空泵，上海真空泵廠有限公司。

自制等離子體反應(yīng)管：由內(nèi)、外兩根石英玻璃管組成，外管內(nèi)徑為52 mm，內(nèi)管外徑為35 mm，厚度均為2 mm；內(nèi)電極為不銹鋼片，緊貼內(nèi)管內(nèi)壁；外電極由外壁纏繞16圈不銹鋼條（寬度為5 mm，厚度為0.3 mm，纏繞間隙為6 mm）的石英管組成。

自制等離子體電源：輸出電壓在0.5～20 kV之間可調(diào)，工作頻率分為14 kHz和18 kHz兩檔。

1.2 實驗裝置與方法

1.2.1 實驗流程

如圖1所示實驗流程，10根沖擊式采樣管（10 mL）內(nèi)裝液態(tài)乙酸乙酯，置于由冰水控制溫度的恒溫水浴中，以空氣為載氣，其在引風(fēng)機(jī)的作用下由管道自上而下進(jìn)入等離子體發(fā)生管內(nèi)。乙酸乙酯分子與發(fā)生管中的各種高能帶電粒子、自由基等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而被去除。

分別在氣路進(jìn)口、等離子體反應(yīng)管后設(shè)取樣孔，采用氣相色譜儀檢測乙酸乙酯處理前后的質(zhì)量濃度，并計算其降解率。

1.2.2兩級等離子體反應(yīng)管的連接

如圖2所示，反應(yīng)管A，B通過彎頭（內(nèi)徑為59mm，外徑為63 mm的聚氯乙烯管相連接）。乙酸乙酯蒸汽自上而下分別通過A管、B管。抽風(fēng)機(jī)連接在B管后，以抽氣形式使氣體依次通過兩根反應(yīng)管，管內(nèi)為負(fù)壓。分別在氣路進(jìn)口、A管后B管前、B管后取樣，送去檢測儀器進(jìn)行分析。

圖1 實驗流程

圖2 兩級等離子體反應(yīng)管串聯(lián)圖

由于等離子體反應(yīng)管放電會使管路溫度升高，影響風(fēng)速大小，故取樣時應(yīng)提前開啟等離子體反應(yīng)管0.5 h以上，以消除其對風(fēng)速的影響。待裝置運行穩(wěn)定后，采用真空泵進(jìn)行取樣。

本實驗中，氣相色譜儀的各項參數(shù)設(shè)置如下：色譜柱溫度為120℃，汽化室溫度為170℃；放大倍數(shù)為10倍；氮氣壓力為0.1 MPa，氫氣壓力為0.1 MPa，空氣壓力為0.07 MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)速對乙酸乙酯降解率的影響

風(fēng)速是影響污染物降解率的重要因素之一，主要影響氣體在反應(yīng)管內(nèi)的停留時間。固定乙酸乙酯的進(jìn)氣質(zhì)量濃度為500 mg/m3、外施電壓為14 kV、工作頻率為14 kHz，調(diào)節(jié)風(fēng)速在0.5～2.5 m/s內(nèi)變化，考察乙酸乙酯降解率隨風(fēng)速的變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 風(fēng)速對乙酸乙酯降解率的影響

由圖3可知，當(dāng)風(fēng)速增大時，乙酸乙酯的降解率降低。當(dāng)風(fēng)速從0.5 m/s增加至2.5 m/s時，乙酸乙酯去除率從66%下降至23%。可見，風(fēng)速變化通過影響污染物在反應(yīng)管中的停留時間，從而對其降解率產(chǎn)生影響。在輸入能量一定時，風(fēng)速越大，氣體停留時間越短，乙酸乙酯分子與高活性粒子的碰撞幾率也就越小，最終導(dǎo)致降解乙酸乙酯分子數(shù)量的減少。

2.2 外施電壓對乙酸乙酯降解率的影響

固定風(fēng)速為0.5 m/s、乙酸乙酯質(zhì)量濃度為500 mg/m3、工作頻率為14 kHz，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)管外施電壓，考察電壓對乙酸乙酯降解率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 外施電壓對乙酸乙酯降解率的影響

由圖4可知，當(dāng)外施電壓從10 kV增大至16 kV時，降解率先增大后減小，在13～14 kV之間達(dá)到峰值。

電壓升高有助于活性粒子與氣體分子的碰撞，強(qiáng)化能量傳遞。Futamura等[11]認(rèn)為，在等離子體中，能量的傳遞是不充分的，電壓過高會影響能量向氣體分子的傳遞，此時氣體分子加速運動且撞擊管壁的次數(shù)增多，使能量從動能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，實際應(yīng)用中，應(yīng)選擇最佳電壓，以使能量傳遞更加有效。

2.3 單級反應(yīng)管與兩級反應(yīng)管串聯(lián)對乙酸乙酯降解率的影響

固定風(fēng)速為0.5 m/s、乙酸乙酯質(zhì)量濃度為500 mg/m3、外施電壓為14 kV、工作頻率為14 kHz。檢測時，先開啟A管、關(guān)閉B管，測定A管對乙酸乙酯的去除率；再關(guān)閉A管、開啟B管，測定B管對乙酸乙酯的去除率；最后，同時開啟兩根反應(yīng)管，測定兩根反應(yīng)管串聯(lián)時乙酸乙酯的去除率。實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩級串聯(lián)和單管工作對比情況

由圖5可以看出，反應(yīng)管A，B的串聯(lián)裝置對乙酸乙酯的降解率可達(dá)82%，優(yōu)于反應(yīng)管單獨作用時的降解率。出現(xiàn)該結(jié)果的原因在于：（1）在本實驗體系中，氣體在等離子體反應(yīng)管內(nèi)的停留時間很短（不到1 s），反應(yīng)體系中產(chǎn)生的活性碎片及臭氧等未充分反應(yīng)即進(jìn)入第二級反應(yīng)管，從而獲得了進(jìn)一步反應(yīng)的場所和時間；（2）第二級反應(yīng)管不僅對乙酸乙酯進(jìn)行解離，還對反應(yīng)體系中的活性組分進(jìn)行二次激發(fā)，從而提高了乙酸乙酯的反應(yīng)幾率。Harling等[12]分別以甲苯和乙烯為目標(biāo)污染物，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，多級非平衡等離子體反應(yīng)管的去除效果與單級反應(yīng)管相比有質(zhì)的飛躍。本實驗中，兩級等離子體反應(yīng)管串聯(lián)使用對乙酸乙酯的處理效率高于兩根反應(yīng)管單獨工作時的效率，與其研究結(jié)果相符。

2.4 能耗效率比較

為考察套管式DBD等離子體的能耗效率，電源工作狀態(tài)分別設(shè)置為兩種工作模式：（1）低頻高壓模式，工作頻率為14 kHz、外施電壓為14 kV；（2）高頻低壓模式，工作頻率為18 kHz、外施電壓8 kV。

固定風(fēng)速為0.5 m/s，乙酸乙酯濃度質(zhì)量為500 mg/m3，兩種工作模式下乙酸乙酯的降解情況如圖6所示。

圖6 等離子體電源工作頻率對降解乙酸乙酯的影響

由圖6可以看出，輸入電壓提高后，雖然工作頻率有所降低，但乙酸乙酯的降解率仍有較大提高。相較于電源工作頻率，外施電壓對乙酸乙酯降解率的影響更為明顯。原因為：隨著外施電壓的升高，反應(yīng)系統(tǒng)的放電功率及電場的能量密度明顯提高，即放電系統(tǒng)的能量不斷增加。能量密度增大，則體系中產(chǎn)生的高能電子和活性基團(tuán)的數(shù)目不斷增加，因而污染物與活性粒子的碰撞幾率不斷增加，參與反應(yīng)的污染物分子數(shù)目也相應(yīng)增加；而在同一初始質(zhì)量濃度條件下，污染物分子總數(shù)保持不變，因此，被轟擊降解的污染物分子比例不斷增加，從而使降解率不斷提高。郭玉芳等[13]在研究DBD降解NOx時也曾得出類似的結(jié)論。

3 結(jié)論

風(fēng)速越低越有利于乙酸乙酯的降解；隨外施電壓的提高，乙酸乙酯降解率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在13～14 kV內(nèi)存在最佳工作電壓。

串聯(lián)反應(yīng)管有助于提高乙酸乙酯的降解率，兩級串聯(lián)裝置的降解率可達(dá)82%。相較于電源工作頻率，外施電壓對乙酸乙酯降解率的影響更為明顯，與高頻低壓模式相比，低頻高壓模式下乙酸乙酯的降解率提高了38%。

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