《文献第二批脉冲电晕放电降解气态污染物vocs的实验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《文献第二批脉冲电晕放电降解气态污染物vocs的实验研究（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、大连理工大学 硕士学位论文 脉冲电晕放电降解气态污染物VOCs的实验研究 姓名：刘江江 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：李锻 20060601 大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着工业技术的迅猛发展，化学品的生产规模和品种迅速扩大，它的应用范围越来 越广，与人们的生活越发密切。然而，它们当中有许多物质易于挥发，常以蒸汽的形式 散发于空间，其中包括各种挥发性有机化合物( 简称V O C s ) 。许多V O C s 具有致癌、 致畸变、致突变性，威胁着人们的健康。挥发性有机化合物( V O c s ) 造成空气质量恶 化的闯题现己受到广泛的关注，在现有正在研究各种各样的治理
2、技术中，放电等离子体 技术被认为是一种很有应用前景的治理方法。 本文利用非热平衡放电等离子体技术对气态挥发性有机化合物的降解进行了实验 研究。根据放电的基本理论和原理，建立了实验装置，本文基于下述两个要素展开实验 研究：一方面，放电等离子反应器的结构与高压供电系统的匹配将影响能量的注入，进 而影响v o c s 的降解；另一方面等离子体与催化剂的协同作用，可以提高降解效率同时 提高系统能量效率，因此实验采用了反应器和高压供电系统的不同匹配方式：针板式 电极结构引入脉冲高压和交流高压。并采用了锥形、圆台和扁平三种放电极；凿板式 电极结构、线- 筒式电极结构引入脉冲高压和交流高压。选取甲苯、氯苯作
3、为挥发性有 机化合物的代表性物质进行实验，研究结果表明： ( 1 ) 三种电极结构引入脉冲高压可以提高电极间的击穿电压，并使流光放电更加 稳定，产生瞬间的高能粒子，从而提高甲苯和氯苯的脱除效率。 ( 2 ) 针板式电极结构中，不同的电极形状对放电特性及降解率产生影响，圆台形 电极获得最大的甲苯降解率和降解效率，分别为4 3 和6 2 眯w 量l 。当采用凿板式电极 结构时，可以使流光放电更加稳定，电能量的注入更加有效。在同等注入能量的情况下， 获得最大的甲苯降解率和降解效率，分别为3 5 和6 5 鲫细h 。而且甲苯比氯苯在同等 的情况下更易降解。 2 5 除头痛外，可能有神经毒性作用 中度范
4、围 表1 5 给出了总挥发性有机化合物( T v O C s ) 暴露与健康效应的剂量反应关系。由 表可知，T V O c 浓度小于o 2 m g m 3 时不会引起刺激反应和不适；而大于3 m g m 3 时就 出现某些症状；3 也5 m g m 3 可导致头痛和其他弱神经作用；大于2 5 m m 3 时呈现毒性 作用。 脉冲电晕放电降解气态污染物v ( ) C s 的实验研究 1 2 各国空气污染治理的相应法律政策 V O c s 污染排放对人类和动物的健康构成了极大的危害。为此，世界卫生组织制定 了室内空气有机化合物总挥发量每立方米不超过3 0 0 微克的标准建议。欧洲地区制定的 室内环
5、境质量标准的建议是：室内空气中甲醛、人造矿物纤维、氧气、石棉、氧化氮和 有机物以及一氧化碳、二氧化碳等的最大量不得超过O 1 5 毫克立方米，总的挥发性有 机物不超过2 毫克立方米。为了从源头上控制V O c s ，一些国家对装修装饰使用建材 也做出了相应的规定，如北欧各国：丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典等国于1 9 8 9 年实 旌了统一的北欧环境标志。丹麦为了促进绿色建材的发展。推出了“健康建材”( 江B ) 标准，规定了所出售的建材产品在使用说明书上除标出产品质量标准外，还必须标出健 康指标。美国环保局( E P A ) 正在开展应用于住宅室内空气质量控制研究计划，些州 己开始实施有关材料
6、的环境标志计划。在一些州，地毯规定有机物散发量( T v 0 C ) 为 0 5 5 毫克平方米小时。其中4 甲基环乙烯0 1 毫克平方米- 小时；甲醛为O 0 5 毫 克平方米小时；苯己烯为O 0 4 毫克平方米小时。 联合国于1 9 9 1 年通过了V O C 跨国大气污染议定书，该协议于1 9 9 2 年5 月生 效，协议对挥发性有机物跨国污染做出规定：各签字国以1 9 8 8 年v O C s 排放量为基准， 到1 9 9 9 年每年消减3 0 鲥。 现在一些国家已经规定了室内v O C s 的最大允许浓度值，德国对v O c s 的限制如表 1 6 所示，并规定单个化合物的质量浓度不
7、超过所属分类的5 0 ，也不超过v O C s 总量 的l O 【1 1 】。 表1 6 室内空气中V o c s 浓度指导限值 T a b 1 6G u j d 锄c ec o n c 廿瓶0 n1 i m i t 曲V O C s V o C s 浓度( 烬m 3 ) 烷烃 1 0 0 卤代烃3 0 其他化合物3 0 芳香烃 5 0 酯类 2 0 醛类2 0 醛酮2 0 T V O C 3 0 0 大连理工大学硕士学位论文 1 9 9 9 年3 月1 1 日欧盟议会决议3 9 9 L 0 0 1 3 ( 1 9 9 9 1 3 E C ) 规定，对于不同的v O c s 物质和流量，其排放
8、浓度限制为2 m g 悄m 3 到2 咖g N m 3 ；对于现存的排放控制装置的限 制为5 0 I n g ，N m 3 到1 5 0 m g 烈m 3 。美国通过了清洁空气修正案和污染防止法【9 l 以 控制V O C s 的排放。 室内空气质量协会( h l d o o rA i rQ u a l 毋A s s o c i a t i o n ) 推荐室内T v O C 浓度应 T i 时，称为非热平衡态等 离子体( N o n 曲锄a le q 皿i b r h 璇p l a s m a ) 。其电子温度可离达数万度，恧其他粒子的温 度只有3 0 0 5 0 0 K 。非热平衡态等离子
9、体又可称为低温等离子体，般气体放电产生的 等离子体属于这一类型5 ，3 3 ，圳。 2 2 非热平衡等离子体降解有机物的反应基理 非热平衡等离子体中包含有大量高能电子、离子、激发态分子和自由基，这些活性 粒子的能量高于气体分子的键能，它们和挥发性有机物分子发生频繁的碰撞，使烃分子 发生断键解离而形成许多短碳链的自由基碎片。这些自由基碎片之间相互反应，生成了 短碳链的小分子烃而发生降解。当反应中有氧存在时，氧分子与烃类断键解离后生成的 自由基碎片发生反应，将它们氧化成碳的氧化物而使烃类氧化分解。另外，氧气分子与 等离子体中的高能电子碰撞产生激发态的氧分子和原子，这些强氧化性的粒子与烃分子 及其解
10、离的自由基碎片发生反应，使挥发性烃氧化分解，从而将挥发性有机物直接分解 为无害分子m 5 1 。 2 3 非热平衡等离子产生法 非热平衡等离子体技术现已为V O C s 治理研究领域的热点课题。目前产生非热平衡 等离子体的方法主要分为电子束照射法和气体放电法，后者可以分为介质阻挡放电法和 脉冲电晕放电法啡5 1 。 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 电子束照射法 电子束照射法研究工作始于2 0 世纪7 0 年代初期，起始主要是用来治理烟气污染。 1 9 7 0 年，K a w a m a r a p 6 】等人利用一台6 M v 的电子直线加速器，对重油燃烧后产生的烟 气进行电子束辐照。7
11、0 年代末期，荏原制作所与日本铁钢联盟合作在藤泽和若松分别建 立了O 1 1 0 4 m 3 伍和l 1 0 4 m 烟气量试验装置。在美国能源部的资助下，荏原公司进 一步开发这一项技术，1 9 9 5 年，我国通过与日本荏原公司合作在成都热电厂建立了一套 处理烟气规模为3 0 0 ，O m 的示范工程，并于1 9 9 7 年开始投人进行【3 ”。电子束照射法 处理烟气显示其良好的适应性【2 1 1 ，欧美等国家正逐步转向利用电子柬法进行脱除v O C s 的研究。P 髓e 臼a n t e 3 8 】等用电子柬法对多种有机废气进行了实验研究，结果表明该法具 有高效性，对包括氯烃、氟氯烃在内的
12、许多有机物都有较好的降解作用。 电子束照射法反应器如图2 1 【1 5 】所示，降解v O C s 的原理是利用电子加速器( 电子 枪) 产生高速的电子束，由于电子束具有较高的能量，在其作用下烟气中的各种物质受 到激发以及原子间键的断裂，形成小碎片基团和原子。电场激发的各种活性粒子与有机 物分子和小碎片基团发生一系列的自由基反应，最终把有机物降解为C 0 2 、C O 和H 2 0 ， 从而达到治理的目的l l 掣纠。 图2 1 电子束照射法反应器 F 培2 1E l 仃D nb 黜i m d i 舐0 nr c t o r 虽然电子束法具有很好的降解效果。但它也存在着一些缺陷【3 9 4 0
13、 】：产生x 射线， 工业应用时必须建有混凝土防辐射工程，装置不能移动；冷却窗用压缩空气冷却，电 子线照射产生臭氧，对装置有腐蚀，对周围环境也有害；由于电子束法产生的高能电 脉冲电晕放电降解气态污染物v ( ) c s 的实验研究 子对于烟气中任何气体分子均可破坏其化学键，使烟气分子电离产生离子，因而烟气中 含量最高的氮气和二氧化碳等气体分子将被分解和电离，浪费了能量，造成工艺的能耗 过大；采用的电子枪价格昂贵，电子枪及靶窗的寿命短，设备结构复杂。上述原因限 制了电子柬法的应用。 气体放电法 气体放电是指在气体附近存在一个强电场，气体中的自由电子( 由于自然界到处都 存在各种射击队线，总是有些
14、气体分子被电离产生自由电子) 被电场加速获得高于气体 电离能的能量，形成活性电子，这些活性电子与气体分子碰撞，产生新的电子，这种过 程重复进行，形成类似于链反应的“电子崩”，电子崩的发展使气体进一步电离，直至 电场强度较弱的区域，电子无法获得高能量，电离无法继续，上述现象就是气体放电H 踟。 气体放电过程的发生比较复杂，按照流柱理论，当气体击穿时，只有一个电子崩通 过放电间隙，而这个电子崩引起了迅速扩展的通过放电间隙的流柱的出现。通常将流光 分为正流光柱和负流光柱，根据实验情况我们只讨论正流光柱的物理特性。 “鋈 图2 2 正流光电晕发展过程 F i g 2 2P a c k e dd i s
15、 c h a r g er e a c t o r L o c b 和M e c k 最先提出了正流光柱，在电场的作用下，电子在奔向阳极的途中，不 断撞击电离气体分子，形成电子崩，在电子崩内，电子数和离子数随电子崩发展的距离 按指数规律急剧增长。由于电子的迁移率比正粒子的迁移率大两个数量级( 因为离子质 量比电子质量大得多) ，所以电子总是处在崩头部分，而正离子则滞留在产生处，其外 形如一个头部为球状的圆锥体，其示意图如图2 2 ( a ) 所示。 电子崩的空间电荷分布使得电场发生畸变，此时空间电场是外加电源电场和空间电 荷所造成电场的叠加，电子崩的尾部被加强，崩内正负空间电荷混杂处电场被减弱
16、，而 大连理工大学硕士学位论文 电子崩的前部则被加强。崩头的激发电离过程伴随着强烈的激发和反激发过程，因为受 激状态是极不稳定的，存在时间短、强烈的反激发会放射出大量光子，光子向四周发射， 发生光电离，产生次级电子崩，次级电子崩受主电子崩空间电荷吸引，向主崩尾部发展， 并汇合到主崩尾的正空间电荷中去。次级电子崩头部的电子汇合到主崩尾部正空间电荷 区，使主崩本体区域成为正、负带电质点的混合通道，由于主崩电子进入阳极，通道中 正离子多于电子和负离子，通道呈微正电性。主崩通道头部边缘微次电子崩的崩尾正空 间电荷区大大加强了崩尾外围的电场，推动流光逐渐向阴极方向发展，最后到达阴极， 形成贯穿间隙的流光通道，如图2 2 ( b ) 【4 7 4 8 1 。通过气体放电这种形式引入等离子体的 方法主要有介质阻挡放电法和脉冲电晕放电法。 介质阻挡放电法 介质阻挡放电是产生常温非热平衡等离子体较理想的方法，也是最早得到应用的放 电方法之一【1
