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        脈沖放電等離子體協(xié)同Mn/TiO2-分子篩、Fe/TiO2-分子篩、Cu/TiO2-分子篩催化劑降解甲醛

        2015-11-26 02:43:55董冰巖施志勇何俊文王暉周海金張鵬聶亞林
        化工進(jìn)展 2015年9期
        關(guān)鍵詞:分子篩等離子體甲醛

        董冰巖,施志勇,何俊文,王暉,周海金,張鵬,聶亞林

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        脈沖放電等離子體協(xié)同Mn/TiO2-分子篩、Fe/TiO2-分子篩、Cu/TiO2-分子篩催化劑降解甲醛

        董冰巖1,2,施志勇1,何俊文1,王暉1,周海金1,張鵬1,聶亞林1

        (1江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西贛州 341000;2江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西贛州 341000)

        為進(jìn)一步提高脈沖放電等離子降解甲醛的效率,增加CO2選擇性,降低O3產(chǎn)生量,研究采用放電等離子體和催化劑協(xié)同技術(shù)。實(shí)驗(yàn)以分子篩為載體,分別制備了Mn/TiO2-分子篩、Fe/TiO2-分子篩和Cu/TiO2-分子篩3種催化劑,并利用XRD、SEM、EDS、FT-IR方法對(duì)催化劑進(jìn)行表征分析。進(jìn)行了脈沖放電等離子體協(xié)同3種催化劑降解甲醛的研究,比較了不同催化劑協(xié)同等離子體對(duì)甲醛去除率、CO2選擇性、O3產(chǎn)生量的影響。結(jié)果表明,3種催化劑與脈沖放電等離子體都存在協(xié)同作用,并能有效地提高甲醛去除率,增加CO2選擇性,降低O3產(chǎn)生量。當(dāng)脈沖電壓為20kV、放電頻率為40Hz、氣體流量為0.5L/min時(shí),Mn/TiO2-分子篩催化劑協(xié)同效果最佳,甲醛去除率為94.4%,CO2選擇性為42.2%。催化劑表征結(jié)果顯示Mn/TiO2-分子篩的活性組分顆粒分布均勻,銳鈦礦相的TiO2和微晶狀態(tài)的MnO的存在有效促進(jìn)了甲醛的氧化分解。研究還對(duì)放電等離子體協(xié)同Mn/TiO2-分子篩催化劑降解甲醛的機(jī)理進(jìn)行了探討。

        脈沖放電等離子體;TiO2-分子篩; 催化劑;甲醛;協(xié)同作用

        揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放在大氣中將影響人類的健康和破壞環(huán)境,甲醛作為VOCs中的典型代表,主要來(lái)源于建筑材料和化學(xué)工業(yè)中,長(zhǎng)期接觸可引起惡心、鼻炎、支氣管炎和結(jié)膜炎等[1]。近些年來(lái),放電低溫等離子體協(xié)同催化劑降解VOCs成為一種新興的環(huán)保技術(shù),引起了很多研究者的興 趣[2-6],采用催化劑可有效地主導(dǎo)反應(yīng)方向,克服單獨(dú)等離子體CO2選擇性低和副產(chǎn)物較多的缺陷。張瑋等[7]選擇了不同介電常數(shù)的BaTiO3和CaTiO3催化劑填充在等離子體管中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)較高的BaTiO3的甲苯去除率、碳平衡更高,而其對(duì)O3去除和CO2選擇性幾乎沒(méi)作用。竹濤等[8]用復(fù)合型催化劑填充在等離子體反應(yīng)器中,極大地提高了甲苯降解率,增加了能量效率,有效地加強(qiáng)了對(duì)臭氧的控制效果。陳礪等[9]得出在TiO2/γ-Al2O3上摻雜Mn元素,可以進(jìn)一步提高等離子體-光催化作用效果和產(chǎn)物選擇性。關(guān)繡娟等[10]研究了等離子體協(xié)同Mn、Fe、Ti、Co、A1和Cu的氧化物對(duì)甲苯的去除和分解O3的能力,發(fā)現(xiàn)甲苯的去除率與催化劑分解O3的能力一致。催化劑對(duì)O3的分解活性跟比表面積、晶體結(jié)構(gòu)以及催化劑表面活性有關(guān)。Kim 等[11]在低溫等離子體中加入光催化劑Ag/TiO2,發(fā)現(xiàn)Ag催化劑能夠提高副產(chǎn)物CO2的選擇性。

        目前全面研究放電等離子體協(xié)同催化劑對(duì)有害物的去除率、CO2選擇性和O3產(chǎn)生量的影響還比較少,為進(jìn)一步提高甲醛去除率,增加CO2選擇性,降低O3產(chǎn)生量,本文研究了脈沖放電等離子體協(xié)同催化劑降解甲醛,實(shí)驗(yàn)采用溶膠凝膠法和浸漬法制備了TiO2-分子篩復(fù)合載體及復(fù)合載體負(fù)載過(guò)渡金屬元素(Mn 、Fe 和Cu)的催化劑,并用XRD、SEM、EDS、FT-IR 方法對(duì)催化劑進(jìn)行表征分析,比較了不同催化劑對(duì)甲醛去除率、CO2選擇性、副產(chǎn)物O3產(chǎn)量的影響,研究還提出等離子體協(xié)同Mn/TiO2-分子篩催化劑降解甲醛的機(jī)理。

        1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

        1.1 材料與儀器

        試劑:5A分子篩,直徑3~5mm球形顆粒,分析純;甲醛、無(wú)水乙醇、冰乙酸、硝酸錳、硝酸鐵和硝酸銅均為分析純;鈦酸四丁酯為化學(xué)純。

        儀器:AUY220型電子分析天平,KH5200V型超聲波清洗器,CJJ-931(HJ-6)型磁力加熱攪拌器,DHG-9140A型電熱鼓風(fēng)干燥箱,SHF·M25/10·a型馬弗爐,XL30W/TMP掃描電子顯微鏡( SEM )及EDS能譜儀,丹東方圓公司的XRD-2700型X射線衍射儀( XRD),AVATAR370傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)。

        1.2 催化劑制備與表征

        采用溶膠凝膠法制備TiO2溶膠。在室溫下將17mL鈦酸四丁酯加入到30mL無(wú)水乙醇中,攪拌30min,得到溶液A。將30mL無(wú)水乙醇、1.5mL去離子水和1mL冰乙酸充分混合,得到溶液B,置于分液漏斗中備用。磁力攪拌下,將溶液B緩慢滴加到溶液A中,得到均勻透明的TiO2溶膠。

        取研磨40~60目的5A分子篩顆粒放入干燥箱中110℃烘干5h,馬弗爐500℃焙燒3h,得到活化后的分子篩。將TiO2溶膠與活化后的分子篩顆粒按照1∶1.5的質(zhì)量比混合均勻,攪拌浸泡一段時(shí)間,干燥箱110℃烘干5h,馬弗爐500℃焙燒3h,得到TiO2-分子篩。

        催化劑制備采用傳統(tǒng)浸漬法,將Mn(NO3)2溶液、Fe(NO3)3·9H2O晶體和Cu(NO3)2·3H2O晶體按照Mn∶Ti、Fe∶Ti、Cu∶Ti摩爾比均為5∶100的比例配成浸漬液,加入TiO2-分子篩復(fù)合載體,浸漬24h,干燥箱110℃烘干5h,500℃焙燒3h,冷卻后即可制得5%Mn/TiO2-分子篩、5%Fe/TiO2-分子篩和5%Cu/TiO2-分子篩催化劑。

        催化劑的表面形貌、顆粒大小與形狀通過(guò)SEM進(jìn)行觀察,表面元素分析通過(guò)EDAX進(jìn)行測(cè)定,物相組成、晶粒大小與分散度通過(guò)XRD儀進(jìn)行測(cè)試,負(fù)載前后物質(zhì)表面的官能團(tuán)變化、分子結(jié)構(gòu)通過(guò)FT-IR進(jìn)行分析。

        1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)流程由氣體發(fā)生、氣體反應(yīng)、氣體檢測(cè)3部分組成??諝庥煽諝怃撈炕驓獗眠M(jìn)入管路,經(jīng)過(guò)緩沖瓶、質(zhì)量流量計(jì)后分流:一路鼓入甲醛溶液的廣口瓶中,帶動(dòng)甲醛氣體分子的揮發(fā)進(jìn)入混合瓶;另一路直接進(jìn)入混合瓶,當(dāng)兩路氣流在混合瓶混合趨于穩(wěn)定后,進(jìn)入脈沖放電等離子體反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓條件下進(jìn)行,控制甲醛初始濃度為270mg/m3,氣體流量為500mL/min進(jìn)入到等離子體反應(yīng)器中。

        1—空氣鋼瓶;2—緩沖瓶;3—甲醛溶液;4—恒溫水?。?—混合瓶; 6—脈沖放電反應(yīng)器;7—質(zhì)量流量計(jì);8—逆止閥;9—脈沖電源; 10—示波器;11—?dú)庀嗌V儀

        本實(shí)驗(yàn)采用多針-板脈沖放電等離子體反應(yīng)器,反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。反應(yīng)器外筒由石英玻璃制成,其內(nèi)徑為60mm,有效長(zhǎng)度為150mm。7根針尖半徑為0.5mm的針電極均勻布置在圓形板上,接地極為均勻多孔的不銹鋼板。正高壓脈沖電源的電壓從0~60kV連續(xù)可調(diào),脈沖上升前沿時(shí)間小于100ns,頻率從0~300Hz可調(diào),脈沖成形電容p為1.0nF。利用電壓探頭(TeK P6015A)、電流探頭(PEARSONTM,mode411)和數(shù)字儲(chǔ)存示波器(Agilent DSO-X-3054A)對(duì)放電參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)。利用安捷倫氣相色譜儀(GC 7890A)跟蹤監(jiān)測(cè)放電前后甲醛、CO2、CO的濃度,JSA8型便攜泵吸式臭氧檢測(cè)儀檢測(cè)O3產(chǎn)生量。

        1.4 實(shí)驗(yàn)分析方法

        甲醛去除率()計(jì)算如式(1)。

        式中,為甲醛去除率,%;0為甲醛的進(jìn)口濃度,mg/m3;1為甲醛的出口濃度,mg/m3。

        CO2選擇性(CO2)計(jì)算如式(2)。

        式中,[CO]為反應(yīng)后CO的濃度,mg/m3;[CO2]為反應(yīng)后CO2的濃度,mg/m3。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 脈沖放電等離子體協(xié)同催化劑降解甲醛實(shí)驗(yàn)

        2.1.1 不同催化劑對(duì)甲醛去除率的影響

        圖3顯示了不同催化劑對(duì)甲醛去除率的影響。由圖3可知,隨著脈沖電壓的升高,甲醛去除率也相應(yīng)提高,這是因?yàn)槊}沖電壓上升,放電區(qū)所產(chǎn)生的高能電子數(shù)目增多,高能電子對(duì)甲醛、空氣的碰撞產(chǎn)生·O、·OH、HO2·等自由基,正是這些高能自由基的存在,甲醛分子被分解成了CO、CO2和H2O。

        不同催化劑對(duì)甲醛去除率的順序?yàn)椋篗n/TiO2-分子篩>Cu/TiO2-分子篩>Fe/TiO2-分子篩>單獨(dú)脈沖放電(無(wú)催化劑)。催化劑的加入顯著地提高了甲醛去除率,其中尤以Mn/TiO2-分子篩催化劑協(xié)同效果最佳,當(dāng)脈沖電壓為20kV、放電頻率為40Hz、氣體流量為0.5L/min時(shí),甲醛去除率達(dá)到最高的94.4%,而單獨(dú)等離子體僅為83.5%。這是因?yàn)槲⒕B(tài)的MnO2分解臭氧,產(chǎn)生活性氧自由基;銳鈦礦的TiO2晶格中含有較多的缺陷和缺位,受低溫等離子體激發(fā)形成大量的電子空穴對(duì),電子空穴參與反應(yīng),產(chǎn)生大量活性物種[12],能夠氧化分解吸附在催化劑表面的甲醛分子,因此去除率最高。

        2.1.2 不同催化劑對(duì)O3產(chǎn)量的影響

        在脈沖放電反應(yīng)中,O3的產(chǎn)生主要是由于空氣中的O2和等離子體產(chǎn)生的·O結(jié)合形成的,雖然能氧化有機(jī)物和CO,但實(shí)際上O3的氧化活性并不高,相反多余的O3釋放到空氣中會(huì)造成二次污染。因此,利用O3的氧化作用消除多余的O3污染是等離子體應(yīng)用研究亟待解決的問(wèn)題之一。

        圖4顯示了不同催化劑對(duì)O3濃度產(chǎn)量的影響。由圖4可知,在單獨(dú)等離子體時(shí),隨著電壓的升高,O3濃度迅速增加。但是加入催化劑以后,O3的濃度得到了控制,其中Mn/TiO2-分子篩催化劑對(duì)O3的分解最為明顯,能夠有效地控制O3的產(chǎn)量。這是因?yàn)槲皆诖呋瘎┍砻娴腛3被MnO2分解成表面活性氧原子和自由氧分子,這些活性粒子與CO和HCHO發(fā)生反應(yīng),不僅提高了甲醛去除率,同時(shí)也把CO氧化成了CO2,增加了CO2選擇性。不同催化劑O3產(chǎn)量大小順序?yàn)椋篗n/TiO2-分子篩<Cu/TiO2-分子篩<Fe/TiO2-分子篩<單獨(dú)脈沖放電(無(wú)催化劑)。

        2.1.3 不同催化劑對(duì)CO2選擇性的影響

        圖5顯示了不同催化劑對(duì)CO2選擇性的影響。由圖5可知,隨著脈沖電壓的升高,CO2選擇性并沒(méi)有隨之提高,但是添加催化劑后,CO2選擇性得到了顯著的提高。這說(shuō)明CO2選擇性與脈沖電壓無(wú)關(guān),與催化劑的種類有關(guān)。

        不同催化劑對(duì)CO2選擇性的順序?yàn)椋篗n/TiO2-分子篩>Fe/TiO2-分子篩>Cu/TiO2-分子篩>單獨(dú)脈沖放電(無(wú)催化劑)。其中Mn/TiO2-分子篩催化劑對(duì)CO2選擇性最好,當(dāng)脈沖電壓為20kV、放電頻率為40Hz、氣體流量為0.5L/min時(shí),CO2選擇性達(dá)到42.2%,單獨(dú)等離子體僅為24.1%。

        2.2 催化劑表征

        2.2.1 XRD表征

        (1)分子篩負(fù)載Ti、Mn的衍射譜圖 催化劑活性組分的晶相與價(jià)態(tài)對(duì)催化劑活性有重大影響。實(shí)驗(yàn)對(duì)分子篩載體及其負(fù)載Ti、Mn催化劑進(jìn)行了XRD表征,如圖6所示,分子篩載體有分子篩的 晶型峰(2=7.18°、21.66°、23.98°、27.1°、29.92°;PDF 77-1335),而負(fù)載Ti、Mn后依然存在,不過(guò)衍射角度有微弱偏移,強(qiáng)度也相對(duì)減弱,說(shuō)明負(fù)載活性物質(zhì)以后,分子篩的主體晶型沒(méi)有發(fā)生變化,仍然保持完好的有序孔道結(jié)構(gòu)。TiO2/分子篩、Mn/TiO2-分子篩催化劑出現(xiàn)的是銳鈦礦型的TiO2特征峰(2=25.36°;PDF 21-1272),其催化活性較金紅石、銳鈦礦都要高,而且銳鈦礦TiO2晶格中含有較多的缺陷和缺位,能夠提高電子遷移速率,有助于催化氧化甲醛,不過(guò)負(fù)載Mn以后TiO2強(qiáng)度有所減弱,可能是Ti、Mn之間的相互作用引起的。Mn/TiO2-分子篩催化劑存在MnO2特征峰(2=32.64°、52.68°;PDF 72-1982)和Mn3O4特征峰(2=38.09°、71.16°;PDF 75-1560),等離子體協(xié)同下Mn氧化物的多種價(jià)態(tài)有利于甲醛的去除,并且微晶狀態(tài)的活性組分MnO具有更高的催化活性。

        (2)Mn/TiO2-分子篩、Fe/TiO2-分子篩、Cu/TiO2-分子篩催化劑的XRD圖 圖7是Mn/TiO2-分子篩、Fe/TiO2-分子篩、Cu/ TiO2-分子篩催化劑的XRD衍射譜圖,由圖7可知,3種催化劑均出現(xiàn)了分子篩的晶型峰(2=7.18°、21.66°、23.98°、27.1°、29.92°;PDF 77-1335),衍射峰角度、強(qiáng)度有稍微差異。說(shuō)明負(fù)載不同的活性物質(zhì)后,分子篩還是保持了以前的主體晶型,孔道結(jié)構(gòu)仍然保持良好。3種催化劑均有銳鈦礦型的TiO2特征峰(2θ=25.36°;PDF 21-1272),其較高的電子遷移速率可以提高催化劑的催化活性。一般認(rèn)為:晶態(tài)中銳鈦礦型比金紅石型的光催化效果要好[13]。Mn/TiO2-分子篩催化劑存在MnO2特征峰(2= 32.64°、52.68°;PDF 72-1982)和Mn3O4特征峰(2=38.09°、71.16°;PDF 75-1560),等離子體協(xié)同下Mn氧化物的多種價(jià)態(tài)有利于甲醛的去除,并且微晶狀態(tài)的活性組分MnO具有更高的催化活性。Fe/TiO2-分子篩催化劑存在FeO特征峰(2=41.52°;PDF 74-1886),推測(cè)晶相的FeO起催化活性作用。Cu/TiO2-分子篩催化劑存在CuO特征峰(2=35.56°、38.78°;PDF 74-1886),推測(cè)晶相的CuO起催化活性作用。

        2.2.2 SEM表征

        圖8是5A分子篩、Mn/TiO2-分子篩、Fe/TiO2-分篩、Cu/TiO2-分子篩催化劑的電鏡圖片。從圖8中可以看出,5A分子篩表面由很多小球組成且顆粒大小比較均勻,而且顆粒之間存在很多微孔,孔隙的存在既有利于活性物質(zhì)的進(jìn)入,又有利于甲醛氣體在分子篩表面的吸附。Mn/TiO2-分子篩催化劑表面覆蓋了顆粒大小均勻的白色細(xì)小微粒,是活性物質(zhì)MnO和TiO2,而且孔道結(jié)構(gòu)完好,增加了活性位的點(diǎn)數(shù),改善了載體的結(jié)構(gòu),有利于提高催化劑的比表面積。Fe/TiO2-分篩表面不規(guī)則,呈現(xiàn)團(tuán)聚和結(jié)塊的的現(xiàn)象,說(shuō)明活性物質(zhì)分散不均勻,影響催化劑的比表面積。Cu/TiO2-分子篩表面呈現(xiàn)絲狀結(jié)構(gòu),說(shuō)明CuO晶粒在生長(zhǎng)中和分子篩載體結(jié)合導(dǎo)致分子篩的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,不利于甲醛的吸附氧化分解。

        2.2.3 EDS分析

        實(shí)驗(yàn)通過(guò)X 射線光電子能譜(EDS)對(duì)5A分子篩和Mn/TiO2-分子篩催化劑的表面元素組成進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果如圖9和表1所示。由圖9和表1可知,O、Na、Mg、Al、Si 和Ca 為5A分子篩載體的元素組成,其中Al、Si、O是主要元素,活性組分Ti、Mn成功負(fù)載至5A分子篩表面。Mn/TiO2-分子篩催化劑中Mn的理論負(fù)載量為5%,表1中為3.57%,推測(cè)可能與催化劑制備過(guò)程中烘干和高溫焙燒損失有關(guān)。

        表1 催化劑表面元素分析

        2.2.4 FT-IR表征

        圖10是分子篩、Mn/TiO2-分子篩、Fe/TiO2-分篩、Cu/TiO2-分子篩催化劑的紅外光譜圖。圖中曲線a在3421cm?1附近的吸收峰是—OH鍵的伸縮振動(dòng)峰,負(fù)載Mn、Fe、Cu元素后,此峰向高波數(shù)方向移動(dòng);曲線a在1662cm?1附近出現(xiàn)的吸收峰是 H—O—H的彎曲振動(dòng)峰,負(fù)載Mn、Fe、Cu元素后,此峰向低波數(shù)方向移動(dòng);這主要與樣品表面羥基和表面吸附水有關(guān),負(fù)載元素也會(huì)與分子篩載體之間發(fā)生相互作用。

        曲線a在1188cm?1處出現(xiàn)的是C—O鍵伸縮振動(dòng)峰,曲線b、c、d中此峰向低波數(shù)偏移,在1160~1165cm?1處出現(xiàn),這些峰的出現(xiàn)歸因于催化劑制備過(guò)程中加入的乙醇。在945cm?1處出現(xiàn)Si—O鍵伸縮振動(dòng)峰,這是分子篩的組成成分含有SiO2的原因。

        曲線a在2183cm?1出現(xiàn)了CO2的吸收峰,可能與樣品中殘留的CO2有關(guān),曲線b、c、d均未出現(xiàn)此峰,說(shuō)明在負(fù)載Mn、Fe、Cu元素的過(guò)程中,載體經(jīng)過(guò)浸漬、烘干、焙燒已經(jīng)去除了殘留物。

        曲線b、c、d與曲線a相比,紅外峰均出現(xiàn)了弱化、峰型變寬,說(shuō)明負(fù)載元素對(duì)分子篩的結(jié)構(gòu)造成了一定的影響,進(jìn)入了分子篩的孔隙中,改善了載體的孔道結(jié)構(gòu),這將有利于甲醛的吸附與氧化。同時(shí)負(fù)載Mn元素的催化劑能夠增加O3的活性吸附位,加強(qiáng)等離子體與催化劑的協(xié)同作用,提高甲醛去除率。

        a—分子篩;b—Mn/TiO2-分子篩;c—Fe/TiO2-分子篩; d—Cu/TiO2-分子篩

        3 放電等離子體協(xié)同Mn/TiO2-分子篩催化劑降解甲醛的機(jī)理探討

        放電等離子體協(xié)同Mn/TiO2-分子篩催化劑對(duì)甲醛的降解效果較好,這主要體現(xiàn)在Mn/TiO2-分子篩催化劑能夠充分發(fā)揮脈沖放電產(chǎn)生的高能射線能量和臭氧的作用,其中能量和臭氧產(chǎn)生過(guò)程如式(3)~式(6)。

        —→(4)

        —→(5)

        TiO2活性組分吸收來(lái)自放電產(chǎn)生的高能射線能量,產(chǎn)生電子空穴(e--h+),這些電子空穴能夠分解吸附在催化劑表面的氣態(tài)分子(O2、O3和H2O),生成活性物質(zhì)對(duì)甲醛進(jìn)行降解,其過(guò)程如式(7)~式(19)[14]。

        —→(7)

        —→(9)

        —→(10)

        —→(12)

        —→(13)

        —→(15)

        —→(16)

        (18)

        有研究表明,MnO2活性組分對(duì)O3的分解能力較強(qiáng),并且能將O3分解成活性氧原子O*,O*氧化性比O3強(qiáng)[15],能氧化吸附在其表面的HCHO和CO[16],如式(20)~式(24)。

        —→(20)

        —→(22)

        —→(23)

        綜上所述,Mn/TiO2-分子篩催化劑在反應(yīng)系統(tǒng)中提供了大量的·OH、、O*等高氧化活性粒子,這些活性物質(zhì)將HCHO 最終分解為H2O和CO2,這樣充分地發(fā)揮了脈沖放電等離子體和催化劑的協(xié)同作用,有效地提高了甲醛去除率和CO2選擇性。

        4 結(jié) 論

        催化劑與脈沖放電等離子體存在協(xié)同作用,能有效提高甲醛去除率,增加CO2選擇性,降低O3產(chǎn)生量,不同催化劑對(duì)甲醛的去除能力有很大的差異。

        (1)3種催化劑的活性順序?yàn)椋篗n/TiO2-分子篩>Cu/TiO2-分子篩>Fe/TiO2-分子篩。當(dāng)脈沖電壓為20kV、放電頻率為40Hz、氣體流量為0.5L/min時(shí),Mn/TiO2-分子篩催化劑協(xié)同效果最佳,甲醛去除率為94.4%,CO2選擇性為42.2%。

        (2)Mn/TiO2-分子篩催化劑的表征技術(shù)顯示活性組分顆粒的均勻分布,銳鈦礦相的TiO2、微晶狀態(tài)的MnO的存在可促進(jìn)甲醛的氧化分解,很好地證實(shí)了其催化活性較高的原因。

        (3)脈沖放電等離子體場(chǎng)下MnO2分解O3成活性氧原子,TiO2的電子空穴分解氣態(tài)分子,充分發(fā)揮脈沖放電等離子體與Mn/TiO2-分子篩催化劑的協(xié)同作用,有效地提高了甲醛去除率和CO2選擇性。

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        Research of pulse discharge plasma combined with Mn/TiO2-molecular、Fe/TiO2-molecular、Cu/TiO2-molecular sieve catalysts decomposition of formaldehyde

        1,2,1,1,1,1,1,1

        (1Faulty of Resources and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2Key Laboratory of Environmental Pollution Control in Jiangxi Mining and Metallurgy,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

        In order to further improve formaldehyde removal efficiency,increase carbon dioxide selectivity,and decrease the generation concentration of ozone in pulse discharge plasma,a method of discharge plasma combined with catalysts was adopted in this research. Molecular sieve was used as carrier,then three catalysts were prepared,i.e. Mn/TiO2-molecular sieve,F(xiàn)e/TiO2-molecular sieve and Cu/TiO2-molecular sieve catalysts,which were characterized by XRD,SEM,EDS and FT-IR. Decomposition of formaldehyde in pulse discharge plasma combined with three catalysts was studied. Effects of plasma combined with different catalysts on formaldehyde removal efficiency,carbon dioxide selectivity and generation concentration of ozone were compared. The results showed that catalysts have synergistic effects on pulse discharge plasma. It could improve formaldehyde removal efficiency,increase carbon dioxide selectivity,and decrease generation concentration of ozone efficiently. Mn/TiO2-molecular sieve catalyst has the best synergistic effect with the impulse voltage of 20kV,the frequency of 40Hz and the gas flow rate of 0.5L/min,i.e. its formaldehyde removal efficiency achieved 94.4% and carbon dioxide selectivity achieved 42.2%. Characterization results showed that Mn/TiO2-molecular sieve catalyst uniform dispersion of active ingredients is as well as the existence of anatase TiO2,and microcrystalline state MnOincreased the oxidation of formaldehyde decomposition. Meanwhile,the mechanism of degrading formaldehyde in discharge plasma combined with Mn/TiO2-molecular sieve catalyst was also discussed.

        pulse discharge plasma; TiO2-molecular sieve; catalyst; formaldehyde; synergistic effect

        X 511

        A

        1000–6613(2015)09–3337–08

        10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.020

        2014-12-04;修改稿日期:2015-01-14。

        國(guó)家自然科學(xué)基金(51167007)及江西省教育廳資助項(xiàng)目(GJJ11455)。

        董冰巖(1974—),男,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,從事脈沖放電低溫等離子體在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用及工業(yè)安全防護(hù)技術(shù)研究。E-mail dongbingyan1@sina.com。聯(lián)系人:施志勇,碩士研究生,從事脈沖放電低溫等離子體在大氣污染治理方面的研究及催化劑的制備研究。E-mail 775844740@qq.com。

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