等离子体处理有机气体

等离子体净化处理实验室有机废气的研究江苏大学环境与安全工程学院依成武前言在大气污染物质体系中，气态有机污染物占很大部分，这些带有异味(臭或香)的气态污染物会严重干扰居民的日常生活，恶化人们的生存环境。在近年来我国教育飞速发展，实验室数量增加，以及日益严重的大气污染的大环境下，实验室排放的有机废气对环境的危害非常大，严重影响人们的健康，因此引起了人们的关注。在众多挥发性气体中，甲醛和苯的危害居于前两位，在实验室有机废气中也最为常见。本次PPT将以甲醛和苯作为主要探讨对象，使用等离子体技术来净化这两种有机废气。高校实验室有机废气的浓度随着高等学校办学规模的不断扩大，实验室的规模也随之扩大，数目增多、功能更加齐全、实验设备更新和增加、可开设实验项目的凋整与增多、科研团队的不断壮大、学生人数的增加、学生进入实验室时间的延长以及实验室开放力度的不断加大，因此实验室承担着更加繁重的教学和科研任务。而许多学科实验室进行的实验及研究大多要用到化学分析方法，实验材料的使用所引发“三废”环境污染问题已到了不容忽视的地步。以下仅以江苏大学数间较易产生有机废气的实验室如医学院解剖实验室，化学实验室，环境工程大气实验室为例证，对排放的气体进行定性及含量分析。在江苏大学医学院解剖实验室通风橱的排放口，经一个月不间断的测量得知解剖实验室排放的甲醛浓度50ppm-230ppm之间。材料与化学化工综合实验室及基础化学实验室排放的污染物种类繁多，经过收集到的气样进行分析，发现排放的有机废气主要由苯（21-250ppm），甲醛（30-500ppm），二甲苯（3-170ppm）组成。环境工程大气实验室排放甲醛的浓度7-210ppm，苯的浓度范围为10-230ppm。与之相对应的我国各类场所空气中甲醛浓度的限量No使用场所标准依据限量值（ppm）备注1民用建筑工程室内环境污染物浓度限量GB50325-2001表Ⅰ类8Ⅱ类12供验收用2室内空气质量标准GB/T18883-2002表1≤10小时平均3居室空气中甲醛的卫生标准GB/T16127-1995≤8最高容许浓度4公共场所卫生标准GB966～9673-1996≤125室内空气质量卫生规范卫法监发(2001)255号≤(8～12)小时平均6饭馆(餐厅)卫生标准GB16153-1996≤127人防工程平时使用环境卫生标准GB/T17216-1998≤128工作场所有害因素职业接触限值GBZ.2-200250最高容许浓度通过对这些实验室的现场测定，我们不难发现，高校实验室排放的有机废气浓度较高，且排放量较大，持续时间长，不加治理随意排放会对学生、老师和周围居民的身体健康产生很大的威胁。对实验室排放有机废气的净化势在必行。国内外有机废气治理技术的研究进展总体来说有机废气处理分为回收法与消除法两类回收法是通过物理方法,在一定温度、压力下,用选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来分离挥发性有机化合物(VOCs),主要包括活性碳吸附、变压吸附、冷凝法和生物膜法等消除法是通过化学或生物反应,用光、热、催化剂和微生物等将有机物转化为水和二氧化碳,主要包括热氧化、催化燃烧、生物氧化、电晕法、等离子体分解法、光分解法等。去除甲醛和苯方法众多，而本次PPT将采用等离子体反应器，利用强电离放电产生的羟基自由基，使实验室排放的甲醛和苯废气降解成无害无毒气体。等离子体技术处理有机废气的原理为在外加电场的作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离，解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质，从而使污染物得以降解去除。等离子体技术降解有机气体不需要外加吸收剂或催化剂，只与强电离放电中产生的OH•反应生成CO2和H2O，实现无污染化。在强电离放电中，OH•的浓度对有机废气的降解作用十分重要。等离子体治理有机废气的基本原理等离子体分解破坏挥发性有机污染物的两种途径如下（1）高能级电子直接作用于污染物分子：e+污染物分子——各种碎片分子（2）高能级电子间接作用于污染物分子：e+O2(N2,H20)——2O(N,N*,OH)+污染物分子——中性分子在外加电场的作用下，产生的大量羟基及其他活性自由基,如图所示，H2O分子和O2分子在强电场中受到高速电子(电子平均能Te13eV)强烈地激励后产生大量的OH•、HO2•、O3、HO2•、O3OH•、O3•、HO3•、O2•、OH•、H2O2等活性粒子。生成羟基的等离子体反应过程是极复杂的连锁反应,等离子体中HO2-同O3反应生成OH•;另一条反应过程是从产生OH•再经由与O3OH•、HO2•、O2•、O3•、HO3•等反应后再度生成OH•的连锁反应系。羟基等离子体反应过程产生羟基自由基(OH•)的方法主要是强电离放电。而羟基自由基具有以下特点。羟基自由基具有极强的氧化性能,羟基自由基是强氧化剂(E0=+2.80V),与氟(F2)的氧化能力(E0=+2.87V)基本相当。羟基参与的化学反应是属于游离基反应,所以它的化学反应速度极快。剩余羟基最终生成物是O2、H2O。综上所述，采用强电场电离放电极端物理方法，可以把H2O、O2电离后按羟基分子结构直接加工出高浓度大产量的羟基自由基。可以有效的把可挥发性有机污染物VOCs最终降解为CO2、H2O等无害物质。强电离放电降解甲醛实验流程图实验采用强电离放电方式，主要从外加电压、初始浓度、气体流量、停留时间来进行甲醛气体和苯气体的净化实验。实验还采用气相色谱仪分析苯与甲醛的净化效率。外加电压、初始浓度、气体流量、停留时间对降解苯气体效率的影响同样重要。外加电压对甲醛净化效率的影响No初始浓度/ppm净化后浓/ppm气体流量/m3/h外加电压/kV净化效率/%12001750.42.012.522001700.42.51532001250.42.837.54200600.43.0705200300.43.2856200180.43.4917200150.43.592.5表4.1外加电压对净化效率影响的实验数据Table4.1Theexperimentaldataofeffectofappliedvoltageondegradationefficiency甲醛初始浓度对净化效率的影响No初始浓度/ppm净化后浓/ppm气体流量/m3/h外加电压/kV净化效率/%110080.43.4922200180.43.4913300380.43.487.334400600.43.4855500970.43.480.666001750.43.470.83表4.2甲醛初始浓度对净化效率影响的实验数据Table4.2TheexperimentaldataofeffectofformaldehydeprimaryconcentrationNo初始浓度/ppm净化后浓/ppm气体流量/m3/h外加电压/kV净化效率/%1200150.23.492.52200180.43.4913200290.63.485.54200720.83.4645200781.03.46162001051.23.452.572001431.63.428.5气体流量对净化甲醛效率的影响气体停留时间对甲醛净化效率的影响No初始浓度/ppm净化后浓/ppm气体流量/m3/h外加电压/kV净化效率/%1200150.23.492.52200180.43.4913200400.63.4804200720.83.4645200781.03.46162001051.23.452.5使用气相色谱分析中间产物及甲醛处理效率先利用恒流采样器采样等离子体反应器反应之前和反应之后的烟气吸收到乙醚溶液中，并利用进样针取1µm溶液进到气相色谱仪进行分析。图中可以看到，甲醛气体的出峰时间为5.864min。从出峰情况看，净化后的气体进行GS分析后发现无其他有机物质产生并可以看到甲醛气体的净化效率可达到90%以上。强电离降解甲醛实验结果在强电离放电降解甲醛实验中，影响实验的因素很多，如电压、流量、初始浓度、湿度等。通过数值分析得出，电压对降解效率的影响最大，流量次之，初始浓度最弱。在电压为3.4kV，流量为0.4m3/h时，处理效率最高。强电离降解苯的实验结果外加电压对苯净化效率的影响No初始浓度/ppm净化后浓/ppm气体流量/m3/h外加电压/kV净化效率/%12001810.42.09.522001760.42.51232001410.42.829.54200710.43.064.55200390.43.280.56200270.43.486．67200200.43.590初始浓度对苯净化效率的影响No初始浓度/ppm净化后浓/ppm气体流量/m3/h外加电压/kV净化效率/%110090.43.4902200270.43.486.63300460.43.484.64400790.43.480.155001210.43.475.866002210.43.463.278003900.43.451.3气体流量对苯净化效率的影响No初始浓度/ppm净化后浓/ppm气体流量/m3/h外加电压/kV净化效率/%1200180.23.4912200270.43.486.63200470.63.476.54200810.83.459.55200911.03.454.562001191.23.440.572001661.63.417停留时间对苯净化效率的影响No初始浓度/ppm净化后浓/ppm气体流量/m3/h外加电压/kV净化效率/%12001190.23.440.52200910.43.454.53200810.63.459.54200470.83.476.55200271.03.486.66200181.23.491利用气相色谱仪分析苯的处理效率图中峰1是载气氮气，峰2是苯。由图可见，经过等离子体净化后，苯的净化效率很好，在经过等离子体的净化，苯的去除率达到85%以上，并且无其他物质产生。强电离降解苯的实验结果在对苯进行处理的过程中，实验考虑了电压、流量、初始浓度等影响因素，通过对比实验数据，我们发现苯的净化影响因素跟甲醛相似，在这些条件中，电压、流量的影响依旧比较大，而初始浓度的影响相对较小。在电压为3.4kV，流量为0.4m3/h时，处理效率最高。因此在今后有机废气的处理中应着重这些因素的研究。强电离降解甲醛和苯的实验总结低温等离子体法可以在常温、常压下实现对甲醛和苯污染物的去除，从机理上分析其最终产物为CO、CO2和H2O，无其他中间产物。甲醛和苯的去除率随着电场强度的增强而增大，随着气体流速的增大而减小。随浓度增加去除率降低。在考虑处理效率和能源利用俩方面上，可以得出苯和甲醛最佳工艺条件为气体流速0.4m3/h，电场强度E=3.4kV/cm时，甲醛去除率为91％，苯去除率为86.6％。通过对相同条件下甲醛和苯的去除效果对比可知，甲醛比苯更容易去除。当电场强度为3.4kV/cm，气体流量从0.4L/s提高到0.6L/s时,甲醛的去除率降低5.5％，而苯的去除率却降低了10.1％。其主要原因是因为苯的分子量较大、结构稳定，相对于甲醛，不容易去除。实验中废气在反应器中的流速不高，最高流速为1.2L/S，不利于工业化。工业有机废气产生量很大、种类复杂、流速很高。因此，探讨在大气量高流速情况下污染物的最佳去除工艺是下一步研究工作的方向。等离子体技术在工业生产与日常生活中已得到极为广泛的应用，近年来，等离子体技术在环境污染处理方面的应用研究引起了极大关注，其中许多技术已经商业化，取得了很好的经济效益与社会效益，被认为是环境污染物处理领域中最有发展前途的技术之一。在现有的状况下，利用等离子体技术治理挥发性有机气体是一种新的探索。这种办法无污染，效率高，是一种比较新颖的处理方式，具有广阔的前景，在当今是具有十分重要的意义。等离子处理有机气体的展望谢谢！