低溫等離子廢氣處理設(shè)備

我們知道了等離子清洗機(jī)產(chǎn)生的等離子體屬于低溫等離子體中的冷等離子范疇，那么低溫等離子體具有什么特征，在工業(yè)上又有哪些應(yīng)用呢？

低溫等離子體在應(yīng)用上具有兩個(gè)主要特征：與常規(guī)的物理、化學(xué)的其他方法相比，等離子體具有更高的溫度和能量密度；等離子體能夠產(chǎn)生活性成分，從而引發(fā)在常規(guī)化學(xué)反應(yīng)中不能或難以實(shí)現(xiàn)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)?；钚猿煞职ㄗ贤夂涂梢?jiàn)光子、電子、離子、自由基團(tuán)等；高反應(yīng)性的中性成分，如活性原子（O、F等）；受激原子態(tài)；活性分子碎片，如單體。

低溫等離子體放電產(chǎn)生具有化學(xué)特性的微粒，這個(gè)顯著的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于材料表面改性。與傳統(tǒng)的工藝相比較，等離子體技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)包括：

①不會(huì)改變基體固有性能，改性作用僅僅發(fā)生在表面，約幾到幾十個(gè)納米，如半導(dǎo)體納米蝕刻。

②全程干燥的處理方式（干式法），無(wú)需溶解劑和水，幾乎不產(chǎn)生污染，因而節(jié)約能源，降低成本。

③作用時(shí)間短，反應(yīng)速率高，加工對(duì)象廣，能顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量。

④工藝簡(jiǎn)單、操作方便，生產(chǎn)可控性強(qiáng)，產(chǎn)品一致性好。

⑤屬于健康型工藝，對(duì)操作人員身體無(wú)傷害。

由于有以上這些優(yōu)點(diǎn)，低溫等離子技術(shù)被廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域，而且越來(lái)越重要，尤其是低溫等離子材料表面處理技術(shù)在能源、物質(zhì)與材料、環(huán)境、生化等多個(gè)行業(yè)起著關(guān)鍵作用。如圖所示

低溫等離子體技術(shù)是涉及表面物理化學(xué)、等離子體物理化學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)、放電技術(shù)、真空技術(shù)等領(lǐng)域的一門交叉學(xué)科。

低溫等離子廢氣處理設(shè)備

等離子體處理有機(jī)廢氣的典型工藝有脈沖電暈放電(PCR)治理技術(shù)、填充床式反應(yīng)器(FPR)治理工藝、沿面放電和介質(zhì)阻擋放電(DBD)治理工藝。工藝技術(shù)的核心是利用放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的高能密度流光等離子體處理VOCs氣體。

早期Van Veldhuizen、Penetrant等研究認(rèn)為這四種工藝在相同實(shí)驗(yàn)條件下處理廢氣時(shí)具有幾乎相同的效果。但近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的VOCs氣體,這幾種放電方式的凈化效率各有不同。Kim與 Futamura研究認(rèn)為:在干燥條件下處理苯時(shí)，填充床式反應(yīng)器(FPR)的治理效率但當(dāng)有水蒸氣存在時(shí)，脈沖電暈放電技術(shù)治理效率。不同的廢氣處理技術(shù)都具備各自的技術(shù)特點(diǎn)。介質(zhì)阻擋放電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以增加介質(zhì)與氣體間的接觸面積,增加自由基的生成效率，但缺點(diǎn)是接觸面間產(chǎn)生很大的場(chǎng)強(qiáng)，壓降較大，不能滿足大風(fēng)量工業(yè)有機(jī)廢氣處理。高功率脈沖電暈工藝可在反應(yīng)器內(nèi)建立起較大的等離子區(qū)域，在保證反應(yīng)器內(nèi)流光橫貫高低壓極的情況下，單個(gè)反應(yīng)器的直徑通常可達(dá)30~35cm,可有效降低反應(yīng)器的壓降；并聯(lián)多個(gè)反應(yīng)器可提高處理風(fēng)量，從而提高對(duì)大風(fēng)量工業(yè)廢氣處理的適應(yīng)性。但是由于反應(yīng)器尺寸過(guò)大，對(duì)于有機(jī)廢氣的治理效率不高。近年來(lái)，利用等離子體技術(shù)與其他工藝技術(shù)聯(lián)合治理VOCs成為該技術(shù)應(yīng)用的新趨勢(shì)。相關(guān)的工藝技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介如下。

1.介質(zhì)阻擋工藝

Anderson等采用介質(zhì)阻擋反應(yīng)器降解Ar/O背景氣下的苯乙烯，結(jié)果表明較高的反應(yīng)器溫度有利于苯乙烯的氧化反應(yīng)。 Tanthapanichakoon等研究的直流電暈反應(yīng)器處理苯乙烯的情況表明在N背景下高濕度對(duì)處理效率有促進(jìn)作用，而在空氣背景下則是抑制作用。章旭明比較了苯乙烯在正、負(fù)直流電暈下的凈化過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明正電壓供電比負(fù)電壓供電的氧自由基產(chǎn)額要大很多，在任何濕度下正電暈的能耗都要低得多，證明采用正電暈流光等離子體具有較好的處理效率。上述研究大多選用各自的反應(yīng)器或電源在不同的環(huán)境背景中對(duì)苯乙烯的降解能耗做實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)條件的不同，很難對(duì)不同反應(yīng)器或電源之間的處理效果作出一致的結(jié)論。

2.交直流疊加電源系統(tǒng)凈化工藝

目前,應(yīng)用于凈化室內(nèi)空氣的等離子體廢氣的交直流疊加電源系統(tǒng)(AC/DC)處理裝置，僅限于處理氣量小于1000m/h的工業(yè)VOCs氣體。唐海玨等人在*先研制了低溫等離子體室內(nèi)空氣凈化機(jī)，并應(yīng)用在醫(yī)院病房、醫(yī)療儲(chǔ)藏室、辦公樓、賓館等場(chǎng)所。Mizuno等也開發(fā)了等離子體(氣速為2.5m/s)結(jié)合TiO光催化劑的室內(nèi)污染控制技術(shù)，使細(xì)顆粒物的收集效率達(dá)到70%,甲醛去除率大于30%,臭氧的排放量小于0.1μL/L,系統(tǒng)壓降僅為1mmHO(lmmHO=9.80665Fa)。目前，在工業(yè)化廢氣治理過(guò)程中使用交直流疊加電源系統(tǒng)凈化工藝還需克服兩大技術(shù)困難：①研究開發(fā)更大規(guī)模的易于發(fā)生流光放電的電源，并降低一次投入成本；②二次污染問(wèn)題,其中包括高效收集在降解過(guò)程中產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物(有機(jī)中間產(chǎn)物、O)及固相副產(chǎn)物(氣溶膠)。因此，該技術(shù)還有待于進(jìn)一步放大試驗(yàn)。

3.等離子體-催化劑協(xié)同工藝

在實(shí)際應(yīng)用中，采用單一的等離子體技術(shù)凈化VOCs氣體存在能耗高和副產(chǎn)物難以控制的問(wèn)題，而單獨(dú)采用催化氧化/還原技術(shù)又存在催化劑處理能力、催化劑使用濃度等條件的限制。將二者相結(jié)合，既可降低處理成本，又可以延長(zhǎng)催化劑的使用壽命和提高凈化能力。相關(guān)的研究已發(fā)現(xiàn)等離子體催化技術(shù)可產(chǎn)生協(xié)同效果，能耗僅是單獨(dú)使用催化劑能耗的五分之一。有研究利用等離子體協(xié)同Ag/TiO催化劑填充反應(yīng)器，研究其對(duì)苯及苯的衍生物凈化效果。發(fā)現(xiàn)其凈化效率明顯提高，且有機(jī)副產(chǎn)物的生成量明顯降低。在對(duì)苯的衍生物處理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)凈化效率不再受氣體停留時(shí)間的影響，僅與等離子體的能量密度有關(guān)；催化反應(yīng)器中氣體動(dòng)力學(xué)規(guī)律從均相反應(yīng)一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系向非均相反應(yīng)的零級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)變,另有研究發(fā)現(xiàn),在單獨(dú)使用AlO催化劑時(shí)，苯和甲苯的凈化效率分別為5%和24%,而采用等離子體協(xié)同AlO催化劑時(shí)的凈化效率可分別提高到52%和65%,說(shuō)明等離子體-催化技術(shù)可以有效凈化VOCs氣體。

等離子體催化技術(shù)采用的反應(yīng)器可以分為一段式和兩段式兩種,兩種反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與凈化機(jī)制各不相同。

在一段式等離子體催化反應(yīng)器中，產(chǎn)生等離子體的電極位于外側(cè),催化劑置于兩個(gè)電極之間。當(dāng)電極放電時(shí),等離子體在催化劑表面及內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)中生成。通過(guò)改變電極的放電形式可以控制催化劑中等離子體的生成位置與傳播方式。而催化劑表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如比表面積、表面金屬含量等因素又可以影響等離子體放電的區(qū)域大小和強(qiáng)度。因此，在利用一段式等離子體催化反應(yīng)器凈化VOCs氣體時(shí)，選擇具備特定物理化學(xué)性質(zhì)的催化劑，同時(shí)控制電極的放電方式及強(qiáng)度對(duì)于提升VOCs氣體的凈化效率至關(guān)重要。一段式反應(yīng)器協(xié)同作用明顯，有較高的凈化效率，是一種較為理想的工業(yè)廢氣治理技術(shù)，但一段式反應(yīng)器催化劑失活問(wèn)題較為突出，壽命較短。

相較一段式等離子體催化反應(yīng)器，兩段式等離子體催化反應(yīng)器一般采用先等離子體后催化的方式，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，VOCs氣體先通過(guò)等離子體技術(shù)進(jìn)行凈化，殘余氣體及產(chǎn)生的副產(chǎn)物共同進(jìn)入催化裝置，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。凈化機(jī)理相對(duì)比較單一。常用的催化劑有重金屬、過(guò)渡金屬、γ-AlO、SiO、TiO等物質(zhì)及其所組成的復(fù)合催化劑。在兩段式體系中，催化劑的使用壽命較長(zhǎng)，適用于室內(nèi)空氣凈化，但催化劑段的溫度影響較為明顯，較低的反應(yīng)溫度下，CO的選擇性較差，副產(chǎn)物較多，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致催化劑失活。

4.等離子體吸附吸收聯(lián)用工藝Yan等采用線筒式電暈放電凈化含硫惡臭氣體,研究結(jié)果表明：在僅采用電暈放電凈化該氣體時(shí)，以HS的凈化效率作為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)HS氣體凈化到90%時(shí)，電流放電的能量密度為10.8J/L，當(dāng)在該系統(tǒng)中加人活性炭吸附裝置后，該能量密度下降至4.0J/L?；钚蕴靠梢晕浇?jīng)等離子體處理的殘余廢氣及產(chǎn)生的副產(chǎn)物，使氣態(tài)污染物在活性炭表面富集并引發(fā)二次化學(xué)反應(yīng)，顯著提高了凈化效率，并降低了副產(chǎn)物的排出。黃立維等在線筒式反應(yīng)器壁鍍上Ca(OH)涂層，對(duì)鹵代烴凈化過(guò)程中產(chǎn)生的鹵酸、NOx等副產(chǎn)物具有較好的吸收作用。此外，有機(jī)氣體的氧化產(chǎn)物大多是醛或羧酸等液相溶解度相對(duì)較高的物質(zhì)，采用等離子體與吸收劑相結(jié)合的方法是一種可行的凈化處理工藝。有研究利用等離子體對(duì)甲苯進(jìn)行氧化，將生成的副產(chǎn)物進(jìn)行堿液原位吸收，使等離子過(guò)程產(chǎn)生的O、HO等活性物質(zhì)進(jìn)入到液相中，增大了反應(yīng)常數(shù)，并進(jìn)一步氧化副產(chǎn)物,提高了活性物質(zhì)的利用效率和有機(jī)氣體的凈化效率。