DDBD等離子體降解甲硫醇影響因素研究

張寶林 依蓉婕 姜苗 孟祥天 依成武

摘 要：采用雙介質(zhì)阻擋放電（DDBD）等離子體對甲硫醇（CH3SH）模擬廢氣進行降解研究，探討了放電電壓、放電頻率、入口濃度、氣體流量和O2含量等工藝參數(shù)對CH3SH降解效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明：CH3SH降解率可隨電壓的增大迅速升高，但電壓增大的同時也會增加能耗。實驗中不同電壓下的CH3SH降解率均可在放電頻率為8.01 kHz時達(dá)到最高。CH3SH入口濃度和氣體流量的提升都會使CH3SH的降解率有所下降，這個現(xiàn)象在較低電壓下表現(xiàn)得更為明顯。一定范圍內(nèi)的O2含量對CH3SH的降解會起積極作用，本實驗中最適宜的O2含量為10%。

關(guān)鍵詞：雙介質(zhì)阻擋放電;甲硫醇;降解;影響因素

城市化和工業(yè)化帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也造成了嚴(yán)重的大氣污染問題。甲硫醇（CH3SH）是一種典型的含硫揮發(fā)性有機污染物（SVOC），具有來源廣泛、嗅閾值低、高毒性以及易燃易爆的特點[1-4]，它的存在對自然環(huán)境和人體都會造成巨大威脅，因此研究CH3SH尾氣的處理具有重要的現(xiàn)實意義。低溫等離子體法是一種集物理、化學(xué)和環(huán)境工程于一體的綜合性新興有機廢氣處理技術(shù)，與傳統(tǒng)有機廢氣處理技術(shù)相比具有設(shè)備簡單、高效靈活等優(yōu)勢[5，6]。近年來，低溫等離子體技術(shù)成為國內(nèi)外最有發(fā)展?jié)摿Φ挠袡C廢氣降解技術(shù)之一。本研究采用雙介質(zhì)阻擋放電（DDBD）等離子體對模擬CH3SH廢氣進行降解，考察了放電電壓、放電頻率、入口濃度、氣體流量和O2含量等工藝參數(shù)對CH3SH降解效果的影響規(guī)律，以求為DDBD降解CH3SH的實際應(yīng)用提供試驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗氣體和儀器

實驗氣體：CH3SH標(biāo)準(zhǔn)氣體（2000 ppm CH3SH/N2，濟南德洋特種氣體有限公司）;高純O2（上海浦江特種氣體有限公司）;高純N2（上海浦江特種氣體有限公司）。

實驗儀器：雙介質(zhì)阻擋放電等離子體反應(yīng)器（定制，南京珀斯佩特電子科技有限公司）;低溫等離子體實驗電源（CTP-2000K，南京蘇曼電子有限公司）;數(shù)字示波器（Tektronix DPO 2014b，泰克科技有限公司）;調(diào)壓器（TDGC2，浙江正泰電器股份有限公司）;O3分析儀（3S-J5000，北京同林臭氧有限公司）;氣體檢測儀（IQ-1000，美國IST）。

1.2 實驗系統(tǒng)

DDBD降解CH3SH實驗系統(tǒng)流程圖如圖1所示，三路氣體后均連接一個轉(zhuǎn)子流量計，通過調(diào)節(jié)流量計可以調(diào)配不同濃度不同流量的CH3SH模擬廢氣，氣體進入混氣罐充分混合后進入DDBD反應(yīng)器。DDBD反應(yīng)器以石英玻璃管作為放電介質(zhì)，外管外徑25 mm，壁厚2.5 mm，內(nèi)管外徑8 mm，壁厚1.5 mm，內(nèi)管中填充鋁粉和金屬作為接地極，外管外纏繞不銹鋼高壓電極網(wǎng)作為高壓電極，反應(yīng)器單邊放電間隙為6 mm，有效放電長度為150 mm。氣體檢測儀用于檢測進出口的CH3SH濃度，O3分析儀用于檢測尾氣中O3濃度。

1.3 實驗中涉及的計算

式中，η表示CH3SH降解率;Cin和Cout分別表示反應(yīng)前反應(yīng)器入口處CH3SH的濃度（ppm）和反應(yīng)后反應(yīng)器出口處CH3SH的濃度（ppm）;P表示放電功率（W）;f表示放電頻率（kHz）;Cm表示電容（μF），取值0.47;S表示李薩如圖形面積;SIE表示能量密度，反映了反應(yīng)器中注入能量的大?。↗/L）;Q表示氣體流量（L/min）;EY表示能量效率，反映了降解單位質(zhì)量污染物所需要的能量（g/kWh）;M表示CH3SH的相對分子質(zhì)量（g/mol），取值48。

2 結(jié)果與討論

若無特殊說明，則實驗條件為固定放電頻率8.01 kHz，氣體（以CH3SH標(biāo)準(zhǔn)氣體、高純N2和高純O2調(diào)配的含氧量為10%，濃度為400 ppm的CH3SH模擬廢氣）通過流量4 L/min。

2.1 放電電壓對甲硫醇降解效果的影響

電壓是影響CH3SH降解率的重要因素。如圖2所示為不同電壓下CH3SH模擬廢氣的降解率和反應(yīng)器的能量效率。由圖可知，CH3SH的降解率隨電壓的增大而升高，這是因為電壓升高，反應(yīng)器中產(chǎn)生了更多的活性粒子，增加了和CH3SH分子碰撞的概率。而與CH3SH的降解率相反，反應(yīng)器的能量效率隨電壓的升高反而降低。原因在于隨著電壓的升高，只有部分能量被用于CH3SH的降解，而其余的能量均被用于移動電子以提高反應(yīng)器的溫度或產(chǎn)生光子和光副產(chǎn)物[7]。

2.2 放電頻率對甲硫醇降解效果的影響

放電頻率也同樣是影響反應(yīng)器放電的重要參數(shù)。如圖3所示為不同電壓下CH3SH降解率隨放電頻率的變化曲線圖。

可以看到在相同電壓下，CH3SH降解率隨放電頻率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在頻率為8.01 kHz時，三個不同電壓條件下的CH3SH降解率均達(dá)到最大值。因此，本實驗中取8.01 kHz。

2.3 入口濃度對甲硫醇降解效果的影響

通過調(diào)節(jié)三種氣體的流量調(diào)配出含氧量10%的不同濃度的CH3SH模擬廢氣，測得它們在不同電壓下的降解率，研究初始入口濃度對CH3SH降解效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)相同電壓下，CH3SH的降解率隨著濃度的升高而降低;相同濃度下，CH3SH的降解率隨電壓的增大而升高。這是因為電壓一定時，反應(yīng)器內(nèi)活性粒子的數(shù)目也是一定的，在初始濃度較低的情況下，活性粒子的數(shù)量遠(yuǎn)大于進入反應(yīng)器內(nèi)CH3SH分子的數(shù)量。而隨著濃度的升高，反應(yīng)器的負(fù)荷增加，使得每個CH3SH分子所能接觸到的活性粒子數(shù)量下降。

2.4 氣體流量對甲硫醇降解效果的影響

通過調(diào)節(jié)三種氣體的流量調(diào)配出總流量為2 L/min、4 L/min和6 L/min的CH3SH模擬廢氣，考察它們在不同電壓下降解率的趨勢變化，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)氣體流量一定時，CH3SH的降解率隨電壓的增大而升高，這和2.1節(jié)得出的結(jié)果一致。但同一電壓下，氣體流量的增大卻會使CH3SH降解率下降，并且這種趨勢在較低電壓下表現(xiàn)得更為明顯。這是因為流量越大，CH3SH分子在反應(yīng)器中停留的時間也就越短，導(dǎo)致反應(yīng)不充分，因此，CH3SH的降解率會隨氣體流量的增大而降低。

2.5 O2含量對甲硫醇降解效果的影響

通過調(diào)節(jié)三種氣體的流量調(diào)配出含氧量分別為0%、5%、10%、15%和20%的CH3SH模擬廢氣，研究不同的含氧量對CH3SH廢氣降解效果和尾氣中O3濃度的影響，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看到O2含量的增加對CH3SH的降解起到了積極的作用，但O2含量的增加也同時意味著尾氣中O3濃度的升高。一方面O3可以降解CH3SH，但另一方面O3排放到大氣環(huán)境會形成二次污染，所以在采用低溫等離子體處理VOCs時要盡量控制尾氣中的O3含量。

3 結(jié)論

CH3SH的降解率會隨放電電壓的增大而升高，但電壓升高的同時也會造成較高的能耗，因此實際應(yīng)用中要綜合CH3SH降解率和能耗兩個方面選擇合適的工作電壓。由于串聯(lián)諧振現(xiàn)象的存在，CH3SH降解率在某一放電頻率會達(dá)到最大值，本實驗中取值8.01 kHz。CH3SH入口濃度和總氣體流量的增大會降低CH3SH的降解率，這種現(xiàn)象在低電壓下表現(xiàn)得更為明顯。一定程度的O2含量有利于CH3SH模擬廢氣降解反應(yīng)的發(fā)生，但O2濃度過高會使高能電子湮滅，還會提高尾氣中O3的濃度，本實驗中最適宜的O2含量約為10%。此時在16 kV的電壓下，CH3SH降解率可以達(dá)到70.3%，同時O3濃度不至于過高。

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[7]Yixing Ma， Xueqian Wang， Ping Ning， et al. Conversion of COS by corona plasma and the effect of simultaneous removal of COS and dust[J]. Chemical Engineering Journal， 2016， 290： 328-334.

作者簡介：張寶林（1974.01-），男，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，主任，高級工程師，碩士，主要從事環(huán)境污染物治理工程與技術(shù)研究

通訊作者簡介：依成武（1966.08-），男，漢族，遼寧大連人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事強電離放電降解環(huán)境有機污染物研究。