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        采用強電離放電法降解苯的研究

        2020-02-04 07:44:05吳宗坤黃玉梁曾楚凱王吉杰
        現(xiàn)代鹽化工 2020年4期

        吳宗坤 黃玉梁 曾楚凱 王吉杰

        摘 要:為去除有機廢氣中對環(huán)境毒害較大的苯,現(xiàn)試采用強電離放電產(chǎn)生低溫等離子體的方法對含苯的模擬煙氣進行降解,研究了苯的初始質(zhì)量濃度、等離子體反應(yīng)器給電電壓與氣體流量3個因素對苯降解率的影響效果。實驗結(jié)果表明:隨著苯初始質(zhì)量濃度的增加,苯分子與活性分子的碰撞概率增大,但發(fā)生降解反應(yīng)的概率減小,當(dāng)初始質(zhì)量濃度大于550 mg/m3時,苯降解率過低;在等離子體反應(yīng)器可承受的4 kV電壓內(nèi),苯的降解率隨電壓的增大而增大;隨著氣體流量的增加,苯的降解率逐漸減小。反應(yīng)過程中,存在其他有機氣體的產(chǎn)生,苯的降解率在55%左右,主要產(chǎn)物為CO2與H2O,在無催化劑與其他條件下,強電離放電法直接降解苯的降解率并不高。

        關(guān)鍵詞:強電離放電;降解苯;有機廢氣

        基金項目:江蘇大學(xué)2018年大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201810299361W)

        苯是碳氫化合物中一種最簡單的芳烴,在常溫下無色,難溶于水,揮發(fā)性大,在空氣中擴散性較強,并伴隨強烈的芳香味道。苯已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)公布的致癌物清單列為一類致癌物。近些年來,工業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致空氣中苯系物的質(zhì)量濃度較高,在大中城市尤為突出,大部分苯系物質(zhì)量濃度超過30 μg/L,有的甚至高達301 μg/L,嚴重干擾居民日常生活,危害人類體質(zhì)健康。強電離放電處理有機廢氣技術(shù)有著處理效果好、可操作性高、大多數(shù)氣體可直接降解為CO2和H2O、無二次污染的優(yōu)點,具有廣泛的應(yīng)用前景,因此,可嘗試采用強電離放電法進行苯的降解研究。本研究采用強電離放電法降解空氣中低濃度的苯,重點在于實驗條件對降解率的影響,探究技術(shù)可行性,為商用提供有價值的理論與數(shù)據(jù)支撐[1-3]。

        1 降解機理

        在強電離放電反應(yīng)器中,通過施加高壓電壓,產(chǎn)生大量低溫等離子體,產(chǎn)生的等離子體均帶電能量10 eV以上,當(dāng)通入一定量的苯氣體后,氣體分子可在短時間吸收能量,在放電通道內(nèi)產(chǎn)生大量的電子和活性粒子,將苯進行分解,使污染物轉(zhuǎn)化為簡單小分子無污染物質(zhì),從而使污染物得到降解去除。

        苯分子由于受到高能電子的撞擊,可由基態(tài)分子活化為激發(fā)態(tài)分子,苯分子的大π鍵能為615~696 kJ/mol,吸收大量能量可發(fā)生斷裂,產(chǎn)生自由基并發(fā)生一系列反應(yīng),最后與羥基自由基可反應(yīng)生成CO2與H2O。

        2 實驗方法

        2.1 實驗裝置

        整個實驗裝置由氣體發(fā)生系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、等離子體反應(yīng)系統(tǒng)、尾氣檢測系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)5個部分組成。以少量氮氣吹脫含苯水溶液,與另一路的空氣在混合器中充分混合,形成由空氣、水蒸氣與苯氣體三者按比例混合而成的實驗用模擬煙氣。實驗使用的等離子體反應(yīng)系統(tǒng)是強電離放電等離子體反應(yīng)器,其反應(yīng)容積為100 mm×190 mm×2 mm,放電間隙為1 mm,反應(yīng)器采用軸流風(fēng)機散熱,并配備管路加熱裝置,以防氣體在管壁凝結(jié)。

        2.2 測量方法

        采用美國VOCs測試儀測量反應(yīng)前后的苯含量,通過Q3-V型電壓表控制反應(yīng)器的外加電壓并直接讀取數(shù)據(jù),氣體流量由裝置上的氣體轉(zhuǎn)子流量計的刻度直接讀出[4-5]。

        3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

        3.1 苯初始質(zhì)量濃度C0對降解率η的影響

        分別取700、900、1 200、1 600、1 800 mg/m3的模擬煙氣,將等離子體反應(yīng)器外加電壓U0調(diào)整為3 kV,氣體流量Q調(diào)整為0.3 m3/h,測定此條件下苯的降解率,繪制圖像如圖1所示??梢钥闯觯S著苯初始質(zhì)量濃度C0的增加,降解率η在一定范圍內(nèi)會減小。當(dāng)初始煙氣量為1 800 mg/m3時,降解率僅為45%。說明在等離子體反應(yīng)器外加電壓恒定時,模擬煙氣的初始質(zhì)量濃度C0對苯的降解率η有一定的影響,降解率η隨初始質(zhì)量濃度C0的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。雖然苯初始質(zhì)量濃度增加,在反應(yīng)器外加電壓不變,即對反應(yīng)器注入的能量不變的情況下,活性粒子數(shù)目不足以與苯發(fā)生碰撞,故苯分子與活性粒子碰撞、反應(yīng)的概率反而是減小的,導(dǎo)致處理效率下降。

        3.2 氣體流量Q對降解率η的影響

        先取苯初始質(zhì)量濃度為650~700 mg/m3范圍內(nèi)的模擬煙氣,外加電壓U0調(diào)整為3 kV,調(diào)節(jié)氣體轉(zhuǎn)子流量計的開關(guān),取不同流量進行數(shù)據(jù)記錄與對比,繪制圖像如圖2所示。當(dāng)氣體流量Q越來越大時,降解率η呈現(xiàn)一個波動值,保持在43%~56%,當(dāng)氣體流量為1.5 m3/h時,降解率只有43%,在一定范圍內(nèi),處理效率隨著氣體流速增加而增加,但當(dāng)氣體流量大于0.9 m3/h時,降解率呈現(xiàn)下降趨勢。這說明在苯的處理中存在一個最佳的流量范圍,即0.8~0.9 m3/h,為找到最佳實驗條件提供了依據(jù)[6-7]。

        3.3 等離子體反應(yīng)器外加電壓U0對降解率η的影響

        取含苯初始質(zhì)量濃度為650~700 mg/m3范圍內(nèi)的模擬煙氣,將氣體流量Q通過氣體轉(zhuǎn)子流量計閥門調(diào)整為0.9 m3/h左右,分別在1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0 kV條件下進行實驗,則外加電壓U0對降解率η的影響如圖3所示。當(dāng)U0=1 kV時,降解率η僅為20%;當(dāng)U0=4 kV時,降解率η可以達到60%,當(dāng)電壓介于1.5~3.0 kV時,降解率隨電壓升高而顯著增加,而隨著電壓的進一步升高,降解率呈緩慢上升的趨勢。隨著外加電壓U0的逐漸升高,電子可以獲得更多的能量,傳遞給周圍的粒子生成更多的羥基自由基,與苯分子碰撞的概率增加,因此,降解率η越來越高。所以,可以通過提高外加電壓U0來提升對苯的降解率,但外加電壓U0也不應(yīng)過高,電壓最大值應(yīng)在等離子體反應(yīng)器可承受的范圍內(nèi),且不應(yīng)長時間處于最大電壓值,以免產(chǎn)生的電流過大,將反應(yīng)器中的極板擊穿,造成實驗裝置的損壞,發(fā)生實驗事故[8]。

        4 結(jié)語

        (1)在本實驗中,強電離放電低溫等離子法在沒有添加催化劑的情況下,可在常溫常壓下有效去除55%的苯,最終產(chǎn)物為CO2和H2O,無二次污染。苯的分子質(zhì)量較大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,所以,為實現(xiàn)苯的高效去除,可考慮與其他方法聯(lián)用的技術(shù),以進一步提高苯的降解率。

        (2)在對苯的處理過程中,考慮了苯初始質(zhì)量濃度、氣體流量、外加電壓對強電離放電降解苯的影響,其中,氣體流量與外加電壓對苯的降解影響較大。實驗發(fā)現(xiàn),在氣體流量為0.9 m3/h、電壓為4 kV時,苯的降解率最高。

        (3)實驗表明,苯的降解率隨初始質(zhì)量濃度增加而下降;隨著外加電壓的增加而增加,在1.5~3.0 kV,苯的降解率隨電壓增加而顯著增加,超過3 kV,則處理效率上升幅度趨于平緩;在一定范圍內(nèi)隨氣流流量增加而增加,超過0.9 m3/h則呈現(xiàn)下降的趨勢。

        [參考文獻]

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