填充床/沿面复合放电等离子体降解苯的研究

孟诺,鲁娜,2,李国锋,2,李杰,2,吴彦,2,李锻,2

(1.大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连 116024;2.大连理工大学静电与特种电源研究所,辽宁大连 116024)

填充床/沿面复合放电等离子体降解苯的研究

孟诺1,鲁娜1,2,李国锋1,2,李杰1,2,吴彦1,2,李锻1,2

(1.大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连 116024;2.大连理工大学静电与特种电源研究所,辽宁大连 116024)

研究填充床/沿面复合放电等离子体反应器,用于对挥发性有机化合物(volatile o rganic compounds,VOCs)的降解.该反应器以置于石英介质管内的不锈钢弹簧为高压电极,以附着在有机玻璃管内壁的不锈钢网为低压电极,将石英介质管放于有机玻璃管中央,并于石英介质管外与低压电极间填充玻璃珠.采用交流高压电源供电,实现在石英介质管内发生沿面放电,同时在石英介质管外发生填充床放电.含污染物的气体首先通过沿面放电区域,然后经填充床放电区域排出.以苯为目标物,考察了高压电极弹簧外径、玻璃珠尺寸对苯降解的影响,通过引入M nO2/γ-A l2O3催化剂参与反应,进一步提高了苯的去除率.结果表明:在玻璃珠直径6 mm、高压电极弹簧外径12 mm、放电间距12 mm、放电电压27 kV、苯的初始体积分数为0.011 4%的条件下,苯的处理效率高达75%.M nO2负载量为M nO2/γ-A l2O3催化剂质量的10%,并填充于反应器底部,苯的降解率达85%,去除效果提高.

填充床放电;沿面放电;复合放电;催化;苯

挥发性有机污染物(vo latile o rganic compounds,VOCs)来源广泛且多数具有极强的毒性[1],如何经济、安全、有效地去除VOCs对环境保护和人体健康具有重要意义.传统处理VOCs的方法有燃烧法、吸附法、生物法及膜分离法等,但都不同程度地存在去除效率低和产生二次污染的问题.低温等离子体化学活性高,反应速度快,对高、低浓度的VOCs均有很好的去除效果[2-4].其中,沿面放电可以产生大量活性物质,填充床放电能够有效增加放电区域,因此应用沿面放电反应器与填充床反应器处理VOCs研究较多.为了提高活性物质的利用效率,增加污染物在反应器内的停留时间,本研究设计了填充床/沿面复合放电反应器,并将其用于挥发性有机物苯的处理.

1 实验部分

实验装置如图1所示,反应器外筒由有机玻璃管制成,内径40 mm,长300 mm.高压电极由不锈钢丝弹簧制成,不锈钢丝直径1 mm,平均螺距5 mm,放电区域长200 mm,其紧密安装在石英介质管内壁上.石英介质管壁厚1.5 mm,长250 mm.低压电极为紧贴在有机玻璃管内壁的不锈钢网,长200 mm.石英介质管置于有机玻璃管中心,石英介质管外与低压电极间填充玻璃珠.石英介质管上端为进气口,气体污染物首先通过沿面放电区域,然后经填充床放电区域排出.

实验采用浸渍法制备催化剂M nO2/γ-A l2O3,M nO2在M nO2/γ-A l2O3中的质量分数为10%.称取5 g M nO2/γ-A l2O3填充于反应器底部,如图1所示.

实验以氮气为载气,利用鼓泡法得到苯气体,苯的初始体积分数为0.011 4%,空气流量为0.4 L/min.采用工频(50 Hz)交流高压电源.在反应器入口和出口处分别采样,利用气相色谱仪检测放电前后苯的浓度;应用数字示波器、电压探头和电流探头对放电特性进行观测,通过测量的李萨如图形计算出电源输入反应器的功率.

图1 实验反应器结构示意Fig.1 Sketch of reactor

2 结果与讨论

2.1 高压电极对反应器输入功率和苯的降解率的影响

高压电极弹簧外径对于实验中反应器输入功率、苯的降解率具有很大影响,结果如图2所示.高压电极弹簧外径增大,反应器的输入功率变大(如图2 a),当输入电压为27 kV,高压电极弹簧外径分别为8,10,12和15 mm时,保证放电区域长度不变,不锈钢弹簧伸直长度分别为33.6,42.0,50.4和63.0 cm,对应的电源输入功率分别为3.46,3.87,4.23和5.03 W.由图2 b可知,高压电极弹簧外径大有利于苯的降解.这是由于高压电极弹簧外径增加,沿面放电区域体积增大,污染物停留时间增长,放电等离子体产生的活性物质增多,提升了苯与放电等离子体产生的活性物质的接触时间,导致苯的降解率得到提高,但同时也提高了能量消耗.其中,高压电极弹簧外径由12 mm增加到15 mm,苯的降解率仅提高了2.5%,而相应的功率消耗增加了16%.由此,权衡反应器耗能和苯的降解率,实验选用高压电极弹簧外径为12 mm.

图2 高压电极对电源输入功率和苯的降解率的影响Fig.2 Effect of high voltage electrode on input power and the degradation efficiency of benzene

2.2 填充介质玻璃珠直径对苯的降解率的影响

为了进一步研究反应器结构对于苯的降解率的影响,实验比较了填充不同直径玻璃珠条件下苯的降解效果,如图3所示.从图3可以看出,随着电压的升高,苯的降解率得到不断地提升.在相同电压下,小直径玻璃珠有利于苯的降解.当输入电压为27 kV、玻璃珠直径为8 mm时,苯的降解率为64%,而玻璃珠直径减小为6 mm时,苯的降解率提高到75%.原因是填充玻璃珠的直径减小,其比表面积增大,拓宽了玻璃珠间放电区域,使放电强度增强,产生更多活性粒子,使得苯的降解率提高[5].图4为不同玻璃珠条件下的电流电压图,由图4也可以看出直径为6 mm的玻璃珠比8 mm的玻璃珠电流强度密集,放电强烈.综合考虑,实验均采用直径为6 mm的玻璃珠作为填充床介质.

图3 填充玻璃珠直径对苯的降解率的影响Fig.3 Effect of the diameter of glass beads on degradation eff iciency of benzene

图4 不同玻璃珠条件下的放电电流电压Fig.4 Voltage curren t waveform under different diametersof beads

2.3 M nO2/γ-A l2O3催化剂对苯的降解率的影响

为了进一步提高反应器对苯的处理效率,实验考察了催化剂M nO2/γ-A l2O3对苯的降解率的影响,结果如图5所示.加入催化剂M nO2/γ-A l2O3,输入电压为27 kV时,苯的降解率由75%提高到85%.催化剂使放电产生的大量O3催化分解为氧化性更强的活性氧原子[6],使苯的降解率得到提升,有效提高了活性物质的利用率.

图5 MnO2/γ-Al2 O3对苯降解率的影响Fig.5 Effect of MnO2/γ-Al2 O3 on degradation eff iciency of benzene

3 结论

1)本文研究的填充床/沿面复合放电等离子体反应器能够有效降解苯,在玻璃珠直径6 mm、高压电极弹簧外径12 mm、放电间距12 mm、放电电压27 kV、苯初始体积分数为0.011 4%的条件下,苯的处理效率达75%.

2)增加高压电极弹簧外径能够提高苯的降解率.同时,小直径玻璃珠有利于苯的降解.

3)加入催化剂M nO2/γ-A l2O3后,放电等离子体中活性物质的催化性能得到有效增强.苯的降解率提高了10%,达到85%.

[1]ANDRESSR,CEZAR R P,GILBERTO L P,et al.Potential toxicity of toluene and xylene evoked by m itochondrial uncoupling[J].Toxicology in V itro,2007,21:782-788.

[2]李锻,王洪昌,张娣,等.用无声放电同时降解气态混合污染物四氯乙烯/间二甲苯[J].河北大学学报:自然科学版, 2007,27(6):615-619.

[3]DING Huixian,ZHU Aimin,LU Fugong,et al.Low temperature p lasma-catalytic oxidation of fo rmaldehyde in atmospheric p ressure gas stream s[J].App lied Physics,2006,39:3603-3608.

[4]KOHKISA TOH,TOSHIHARU MA TSUZAWA,H IDENORI ITOH,et al.Decomposition of benzene in a co rona discharge at atmospheric p ressure[J].Thin Solid Films,2008,516:4423-4429.

[5]CHEN H L,LEE H M,CHEN S H,et al.Review of packed-bed p lasma reactor fo r ozone generation and air pollution control[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2008,47:2122-2130.

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Benzene Degradation by Packed-bed/Gas Phase Surface Hybrid Discharge System Reactor

MENGNuo1,LU Na1,2,LIGuo-feng1,2,LIJie1,2,WU Yan1,2,LIDuan1,2
(1.School of Environmental and Bio logical Science and Techno logy,Dalian University of Techno logy,Dalian 116024,China;2.Institute of Electrostatic and Special Pow er, Dalian University of Techno logy,Dalian 116024,China)

The degradation of volatile organic compounds,namely,benzene,by a packed-bed/gas phase surface discharge system reacto r was investigated.A stainless steel sp ring closing to the wall of a quartz tube was used as high vo ltage electrode and low-field electrode was a piece of metal woven mesh w hich was close to thewall of an organic glass tube.In order to achieve gas phase surface discharge in the quartz tube as well as packed-bed discharge out of the quartz tube,the quartz tube was fixed in the center of organic glass tube and lo ts of glass beadswere filled between quartz and metal woven mesh.High vo ltage alternating current power supp ly was used.Effects of diameter of high vo ltage electrode,glass beads and the M nO2/γ-A l2O3catalyst were investigated.The results showed that removal efficiency of benzene was reached 75%under the conditionsof using 6 mm glass beads,high voltage electrode diameter 12 mm,electrode distance 12 mm,voltage 27 kV and benzene initial vo lume fraction of 0.011 4%.The degradation efficiency of benzene w as fu rther inc reased to 85%w hen adding M nO2/γ-A l2O3loaded w ith 10% (mass f raction)M nO2at the bo ttom of the reactor.

packed-bed discharge;surface discharge;hybrid discharge;catalysis;benzene

X 511

A

1000-1565(2010)05-0530-04

2010-04-20

辽宁省高校优秀人才计划项目(2009R09);教育部博士点基金资助项目(20070141004)

孟诺(1985—),女,辽宁大连人,大连理工大学在读硕士研究生,主要从事环境等离子体技术方面的研究.

李杰(1964—),男,吉林九台人,大连理工大学教授,主要从事环境等离子体技术方面的研究.

(责任编辑:赵藏赏)