采用強電離放電法降解苯的研究

吳宗坤 黃玉梁 曾楚凱 王吉杰

摘 要：為去除有機廢氣中對環(huán)境毒害較大的苯，現(xiàn)試采用強電離放電產(chǎn)生低溫等離子體的方法對含苯的模擬煙氣進行降解，研究了苯的初始質(zhì)量濃度、等離子體反應器給電電壓與氣體流量3個因素對苯降解率的影響效果。實驗結果表明：隨著苯初始質(zhì)量濃度的增加，苯分子與活性分子的碰撞概率增大，但發(fā)生降解反應的概率減小，當初始質(zhì)量濃度大于550 mg/m3時，苯降解率過低；在等離子體反應器可承受的4 kV電壓內(nèi)，苯的降解率隨電壓的增大而增大；隨著氣體流量的增加，苯的降解率逐漸減小。反應過程中，存在其他有機氣體的產(chǎn)生，苯的降解率在55%左右，主要產(chǎn)物為CO2與H2O，在無催化劑與其他條件下，強電離放電法直接降解苯的降解率并不高。

關鍵詞：強電離放電；降解苯；有機廢氣

基金項目：江蘇大學2018年大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目（201810299361W）

苯是碳氫化合物中一種最簡單的芳烴，在常溫下無色，難溶于水，揮發(fā)性大，在空氣中擴散性較強，并伴隨強烈的芳香味道。苯已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單列為一類致癌物。近些年來，工業(yè)的迅速發(fā)展導致空氣中苯系物的質(zhì)量濃度較高，在大中城市尤為突出，大部分苯系物質(zhì)量濃度超過30 μg/L，有的甚至高達301 μg/L，嚴重干擾居民日常生活，危害人類體質(zhì)健康。強電離放電處理有機廢氣技術有著處理效果好、可操作性高、大多數(shù)氣體可直接降解為CO2和H2O、無二次污染的優(yōu)點，具有廣泛的應用前景，因此，可嘗試采用強電離放電法進行苯的降解研究。本研究采用強電離放電法降解空氣中低濃度的苯，重點在于實驗條件對降解率的影響，探究技術可行性，為商用提供有價值的理論與數(shù)據(jù)支撐[1-3]。

1 降解機理

在強電離放電反應器中，通過施加高壓電壓，產(chǎn)生大量低溫等離子體，產(chǎn)生的等離子體均帶電能量10 eV以上，當通入一定量的苯氣體后，氣體分子可在短時間吸收能量，在放電通道內(nèi)產(chǎn)生大量的電子和活性粒子，將苯進行分解，使污染物轉(zhuǎn)化為簡單小分子無污染物質(zhì)，從而使污染物得到降解去除。

苯分子由于受到高能電子的撞擊，可由基態(tài)分子活化為激發(fā)態(tài)分子，苯分子的大π鍵能為615～696 kJ/mol，吸收大量能量可發(fā)生斷裂，產(chǎn)生自由基并發(fā)生一系列反應，最后與羥基自由基可反應生成CO2與H2O。

2 實驗方法

2.1 實驗裝置

整個實驗裝置由氣體發(fā)生系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、等離子體反應系統(tǒng)、尾氣檢測系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)5個部分組成。以少量氮氣吹脫含苯水溶液，與另一路的空氣在混合器中充分混合，形成由空氣、水蒸氣與苯氣體三者按比例混合而成的實驗用模擬煙氣。實驗使用的等離子體反應系統(tǒng)是強電離放電等離子體反應器，其反應容積為100 mm×190 mm×2 mm，放電間隙為1 mm，反應器采用軸流風機散熱，并配備管路加熱裝置，以防氣體在管壁凝結。

2.2 測量方法

采用美國VOCs測試儀測量反應前后的苯含量，通過Q3-V型電壓表控制反應器的外加電壓并直接讀取數(shù)據(jù)，氣體流量由裝置上的氣體轉(zhuǎn)子流量計的刻度直接讀出[4-5]。

3 實驗結果與數(shù)據(jù)處理

3.1 苯初始質(zhì)量濃度C0對降解率η的影響

分別取700、900、1 200、1 600、1 800 mg/m3的模擬煙氣，將等離子體反應器外加電壓U0調(diào)整為3 kV，氣體流量Q調(diào)整為0.3 m3/h，測定此條件下苯的降解率，繪制圖像如圖1所示?？梢钥闯?，隨著苯初始質(zhì)量濃度C0的增加，降解率η在一定范圍內(nèi)會減小。當初始煙氣量為1 800 mg/m3時，降解率僅為45%。說明在等離子體反應器外加電壓恒定時，模擬煙氣的初始質(zhì)量濃度C0對苯的降解率η有一定的影響，降解率η隨初始質(zhì)量濃度C0的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。雖然苯初始質(zhì)量濃度增加，在反應器外加電壓不變，即對反應器注入的能量不變的情況下，活性粒子數(shù)目不足以與苯發(fā)生碰撞，故苯分子與活性粒子碰撞、反應的概率反而是減小的，導致處理效率下降。

3.2 氣體流量Q對降解率η的影響

先取苯初始質(zhì)量濃度為650～700 mg/m3范圍內(nèi)的模擬煙氣，外加電壓U0調(diào)整為3 kV，調(diào)節(jié)氣體轉(zhuǎn)子流量計的開關，取不同流量進行數(shù)據(jù)記錄與對比，繪制圖像如圖2所示。當氣體流量Q越來越大時，降解率η呈現(xiàn)一個波動值，保持在43%～56%，當氣體流量為1.5 m3/h時，降解率只有43%，在一定范圍內(nèi)，處理效率隨著氣體流速增加而增加，但當氣體流量大于0.9 m3/h時，降解率呈現(xiàn)下降趨勢。這說明在苯的處理中存在一個最佳的流量范圍，即0.8～0.9 m3/h，為找到最佳實驗條件提供了依據(jù)[6-7]。

3.3 等離子體反應器外加電壓U0對降解率η的影響

取含苯初始質(zhì)量濃度為650～700 mg/m3范圍內(nèi)的模擬煙氣，將氣體流量Q通過氣體轉(zhuǎn)子流量計閥門調(diào)整為0.9 m3/h左右，分別在1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 kV條件下進行實驗，則外加電壓U0對降解率η的影響如圖3所示。當U0=1 kV時，降解率η僅為20%；當U0=4 kV時，降解率η可以達到60%，當電壓介于1.5～3.0 kV時，降解率隨電壓升高而顯著增加，而隨著電壓的進一步升高，降解率呈緩慢上升的趨勢。隨著外加電壓U0的逐漸升高，電子可以獲得更多的能量，傳遞給周圍的粒子生成更多的羥基自由基，與苯分子碰撞的概率增加，因此，降解率η越來越高。所以，可以通過提高外加電壓U0來提升對苯的降解率，但外加電壓U0也不應過高，電壓最大值應在等離子體反應器可承受的范圍內(nèi)，且不應長時間處于最大電壓值，以免產(chǎn)生的電流過大，將反應器中的極板擊穿，造成實驗裝置的損壞，發(fā)生實驗事故[8]。

4 結語

（1）在本實驗中，強電離放電低溫等離子法在沒有添加催化劑的情況下，可在常溫常壓下有效去除55%的苯，最終產(chǎn)物為CO2和H2O，無二次污染。苯的分子質(zhì)量較大，結構穩(wěn)定，所以，為實現(xiàn)苯的高效去除，可考慮與其他方法聯(lián)用的技術，以進一步提高苯的降解率。

（2）在對苯的處理過程中，考慮了苯初始質(zhì)量濃度、氣體流量、外加電壓對強電離放電降解苯的影響，其中，氣體流量與外加電壓對苯的降解影響較大。實驗發(fā)現(xiàn)，在氣體流量為0.9 m3/h、電壓為4 kV時，苯的降解率最高。

（3）實驗表明，苯的降解率隨初始質(zhì)量濃度增加而下降；隨著外加電壓的增加而增加，在1.5～3.0 kV，苯的降解率隨電壓增加而顯著增加，超過3 kV，則處理效率上升幅度趨于平緩；在一定范圍內(nèi)隨氣流流量增加而增加，超過0.9 m3/h則呈現(xiàn)下降的趨勢。

[參考文獻]

[1] 徐胤.低溫等離子體凈化室內(nèi)空氣[D].淮南：安徽理工大學，2017.

[2] 歐紅香，竇鵬，依成武，等.強電離放電降解甲醛的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010（2）：877-879.

[3] 梁文俊，李堅，李潔，等.低溫等離子體技術去除揮發(fā)性有機物的動力學分析[J].工業(yè)催化，2009，17（5）：66-69.

[4] 徐榮，王珊，梅凱.低溫等離子體催化降解甲醛的實驗研究[J].高電壓技術，2007（2）：178-181.

[5] 邢金麗.低溫等離子體凈化室內(nèi)VOCs及其應用[D].武漢：華中科技大學，2005.

[6] 聶勇，李偉，施耀，等.脈沖放電等離子體治理甲苯廢氣放大實驗研究[J].環(huán)境科學，2004（3）：30-34.

[7] 吳玉萍，鄭光云，蔣潔敏，等.介質(zhì)阻擋放電-催化降解苯的研究[J].環(huán)境化學，2003（4）：329-333.

[8] 呂喚春，潘洪明，陳英旭.低濃度揮發(fā)性有機廢氣的處理進展[J].化工環(huán)保，2001（6）：324-327.