（环境工程专业论文）活性炭纤维协同等离子体治理恶臭废气技术研究.pdf

渐扭太季乓士学位岳文姜 摘要 恶臭污染对人类生活的影响日益加剧，治理问题成为一项重要的任务。而现 有控制技术尚不完善，尤其对于低浓度大气量恶臭废气的处理。脉冲放电等离子 体法被认为是一种很有发展前景的有害废气治理新技术。本课题组于1 9 9 3 年起 在国内率先开展了脉冲放电等离子体治理v o c s 的研究，已经做了较多的基础实 验工作，表明该技术在此方面具有较好的应用前景，但仍存许多有待解决的问题， 其中比较突出的问题是如何进一步提高去除效率，降低能耗和减轻二次污染。 本论文在前期实验基础上，在利于进步放大的线板式反应器后增加填充活 性炭纤维的后续处理反应器对恶臭废气中的代表性污染物如乙硫醇( c 2 h 5 s h ) 、 硫化氢、氨气等进行较为系统的基础实验研究。实验采用b l u m l e i n 脉冲形成网 络( b p f n ) 窄脉冲高压电源，其最大输出功率为1k w ，最大脉冲峰值电压1 0 0 k v 。实验处理气量为4 - - 2 3m 3 h 。研究主要内容包括等离子体作用下的放电特 性研究，两种反应器比较研究，不同工艺参数下对恶臭物去除影响研究，与活性 炭纤维反应器联合作用下，恶臭污染物的降解特性研究，产物分析及降解机理的 初步探讨，期望通过本论文的研究，为该技术进一步突破瓶颈，从实验室走向工 业化做好铺垫。 实验结果表明： 1 ) 脉冲放电等离子体作用下线板式反应器的放电特性研究，实验考察了电 源电容、极板间距及介质阻挡对放电特性的影响。结果表明：增大电源电容可有 效提高电源能量效率；增大极板间距，峰值电压昨增大，峰值电流昂减小，脉 宽减小，波形更加理想；陶瓷板阻挡放电可解决间隙火花放电，使脉冲电晕放电 空间分布均匀，在大范围内提高电源能量效率。综合考虑，建议选择电源电容 2 0 1 1 f ，极板间距】2 0 m m 。 2 ) 介质阻挡反应器与电晕反应器的对比研究，结果表明：介质阻挡反应器 s i e 值更大，更有利于降解污染物；当输入电压为1 0 k v 时，两种反应器体系中 c 2 h 5 s h 去除效率分别为9 5 3 3 ，8 8 8 7 ；介质阻挡反应器中产生的臭氧明显 低于电晕反应器中所产生的臭氧。 3 ) 脉冲放电等离子体作用下注入功率、气体停留时间、恶臭物混合等单因 素对去除率的影响。结果表明：2 0 0 m g m 3 的h 2 s 和c 2 h 5 s h 去除率在注入功率 为1 9 4 w 、2 3 5 w 时可分别达到1 0 0 ，9 6 6 。要获得相同的去除率，当停留时 间减少时，需要的注入功率增大。综合考虑去除效果及能耗，认为h 2 s 气体的 新江太手乓士季往论文 奠鼻 停留时间取1 0 1 3 s 较合适。在相同的注入功率p 下，混合后的c 2 h 5 s h 、h 2 s 的去除率与各自单独处理时相比均有不同程度下降。但混合处理之后总能耗从 3 3 0 w h i m 3 降低到1 8 1 2 2 6 w h m 3 。实验还对0 3 与恶臭物作用情况进行了 分析。另外发现，在h 2 s 、c 2 h 5 s h 的降解过程中，有s 0 2 、c 0 2 及c o 等产生， 同时在反应器内单质s 生成。 4 ) 考察不同电源输入电压、初始浓度、气体停留时间作用下，活性炭纤维 作为二级反应器引入对h 2 s 、n h 3 去除效果的影响。结果表明：在输入电压为7 k v 时，h 2 s ，n h 3 去除率分别从8 8 ，4 0 提高到1 0 0 ，0 3 产生量分别从1 1 0 p p m ， 1 0 8p p m 减少到几乎被完全吸附。两者随初始浓度增加而加快对活性炭纤维层的 穿透，其中对h 2 s 处理效果影响较明显，初始浓度为1 0 0m g m 3 时，1 8m i n 仍保 持近乎1 0 0 去除率；对n h 3 影响较小。两者随气体停留时间缩短而加快对活性 炭纤维层的穿透，1 0 0m g m 3 的h 2 s ，在脉冲重复频率1 0 0h z ，电源输入电压7k v 时，6 2 5m i n 穿透活性炭纤维层；采用2 0 0h z 脉冲重复频率，8k s 电源输入电 压处理初始浓度11 0m g m 3 的n h 3 时，6r a i n 左右穿透活性炭纤维层，2 0r a i n 以 内达到完全穿透。 5 ) 对不同条件( 空白或非空白、等离子体作用或活性炭纤维作用等) 下的 降解产物进行分析，并结合不同学者在机理研究方面的成果，探讨以空气为背景 的h 2 s 和n h 3 在等离子体与活性炭纤维联合作用下的降解机理。 关键词：脉冲放电等离子体；活性炭纤维；恶臭废气：线板式反应器；降解机理 浙江太季乓士晕隹论文a b s t r a n a b s t r a c t o d o rr e m o v a lh a sb e c o m ea l li m p o r t a n ta n dc h a l l e n g i n gi s s u ef o rt h ew o r l d b e c a u s eo ft h ed e t r i m e n t a li n f l u e n c eo nh u m a nb e i n g sa n dp o t e n t i a lp o l l u t i o no ft h e e n v i r o n m e n t t r a d i t i o n a io d o rc o n t r o lm e t h o d sa r el i m i t a t i v e t e c h n i c a l l ya n d e c o n o m i c a l l y , e s p e c i a l l yf o rh i g hv o l u m el o wc o n c e n t r a t i o ne m i s s i o n s p u l s ec o r o n a i n d u c e dp l a s m ad i s c h a r g ep r o c e s s ( p c p p ) i sr e g a r d e da sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yt o c o n t r o lg a s e o u sp o l l u t a n t s i nc h i n a , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et e c h n o l o g ya sw e l la s t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nv o c st r e a t m e n th a v eb e e ns t u d i e ds i n c e19 9 3i n z h e j i a n gu n i v ，r e s u l t ss h o wt h a tp p c pc a r lb ew e l lu s e di ns u c ha r e a t h e r ea r et w o c r i t i c a li s s u e si nt h ep r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o no fp p c po f p o l l u t a n t s ：e l e c t r i c a le n e r g y c o n s u m p t i o n ，a n db y p r o d u c ti d e n t i f i c a t i o n b a s e do nt h ep r e v i o u se x p e r i m e n t s ，i nt h i sd e s s e r t a t i o n ，t h ed e c o m p o s i t i o no f o d o r sb yp u l s ec o r o n ad i s c h a r g ei nt h ew i r e p l a t er e a c t o rw i t l lt h ec o m b i n a t i o no f a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r sw a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h et e s t i n gm a l o d o r a n t sw e r ec 2 h s s h ， h 2 sa n dn h 3 an e w l yd e v e l o p e db l u m l e i np u l s ef o r m i n gn e t w o r k ( b p f n ) t y p eo f n a r r o wp u l s eg e n e r e a t o rw a su s e di no u re x p e r i m e n t s t h em a x i m u mo u t p u tp o w e ro f t h eg e n e r a t o ra n dt h em a x i m u mp e a kv o l t a g ew e r el k wa n d1 0 0k v , r e s p e c t i v e l y t o t a lg a s f l o wr a t e si n t ot h er e a c t o rw e r eb e t w e e n4a n d2 3m 3 h ，a n da l le x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e da tt h ea t m o s p h e r ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e t h em a i nc o n t e n t so ft h e r e s e a r c h e sa r ef o u ra s p e c t s ：1 ) t h ei n v e s t i g a t i o no fp u l s ep l a s m ar e a c t o rd i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c s ；2 ) t h ec o m p a r i s o no ft h ed b d ra n dt h ep c r ；3 ) t h ed e c o m p o s i t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fc 2 h s s ha n dh 2 sb yaw i r e - p l a t ep u l s ec o r o n ar e a c t o r ；4 ) t h e i n v e s t i g a t i o no ft h ec o m b i n a t i o no fn o n t h e r m a lp l a s m aa n da c t i v a t e dc a r b o nf i b e r s ( a c f ) f o rd e c o m p o s i t i o no fh 2 sa n dn h 3 ；5 ) t h ea n a l y s i so ft h eb y p r o d u c t s i ti s e x p e c t e dt h a tt h ee x p e r i m e n t sc a l lb eu s e da sr e f e r e n c ef o rs o l v i n gt h eq u a n t i t a t i v e d e s i g na n ds c a l e - u pp r o b l e mo f t h ep p c e t h ec o n c l u s i o ns h o w s ： 1 ) t h ei n f l u e n c e so ff a c t o r ss u c ha sp o w e rs u p p l yc a p a c i t a n c e ，p l a t ed i s t a n c ea n d d i e l e c t r i cb a r r i e ro nd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t i n c r e a s i n gt h ep o w e rs u p p l yc a p a c i t a n c ec a ni m p r o v et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo f 1 1 1 巍蕾太辱嗄士季位岳支k b s t r a c t d i s c h a r g ee n e r g y ；i n c r e a s i n gt h ep l a t ed i s t a n c ew i l lr e s u l t i nh i g h e rp e a kv o l t a g e ， l o w e rp e a kc u r r e n ta n ds h o r t e rw i d t ht i m ea n da c h i e v eb e t t e rw a v e f o r m s ；t h e d i e l e c t r i cb a r r i e rc a nh e l ps o l v i n gt h es p a r kd i s c h a r g e ，a n da l s oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yo fd i s c h a r g ee n e r g y i ti sr e c o m m e n d e dt h a tt h e2 0n fp o w e rs u p p l y c a p a c i t a n c ea n d1 2 0t o n ip l a t ed i s t a n c es h o u l db ec h o o s e d 2 ) t w ok i n d so fr e a c t o r s ，d b d ra n dp c r ，a r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ed b d rh a st h eh i g h e rpv a l u ea n dl o w e rov a l u e ，t h e nl a r g e rs i e ，w h i c hi s m o r es u i t a b l ef o re x h a u s tg a st r e a t m e n t ；t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc 2 h 5 s hw e r e 9 5 3 3 a n d8 8 8 7 ，r e s p e c t i v e l y , w h e nt h ei n p u tv o l t a g ew e r e1 0 k v ；w h i l et h eo z o n e y i e l df r o mt h ed b d ri sl o w e rt h a nt h eo n ef r o mt h ep c rn om a t t e rw h e t h e rt h e c 2 h s s hi sc o n t a i n e d 3 ) d i f f e r e n tp a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c e do nr e m o v a le f f i c i e n c yw e r ei n v e s t i g a t e d ， s u c ha si n j e c tp o w e r , r e s i d e n tt i m e ，m i x e dm a l o d o r a n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e m o v a le f f i c i e n c yo f2 0 0 m g m 5h 2 sa n dc 2 h s s hc a nh e1 0 0 a n d9 6 6 ：s h o r t e r r e s i d e n tt i m e ，l o w e rr e m o v a le f f i c i e n c y i ti sc o n s i d e r e dt h a t1 0 1 3 sw a ss u i t a b l ef o r e f f e c t i v eh 2 sd e c o m p o s i t i o n t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fm i x e dc 2 h s s h ，h 2 s d e c r e a s e dc o m p a r e d 、i t l lt h er e s p e c t i v ed e c o m p o s i t i o nu n d e rt h es a m ei n p u tp o w e r , w h i l et h e e n e r g yc o n s u m p t i o nd e c r e a s e df o r m3 3 0 w h m 3 t o1 8 1 2 2 6 w h i m 3 n e0 3g e n e r a t i o nw a sa l s oc o n c e r n e d s 0 2 c 0 2a n dc ow e r ef o u n dd u r i n g t h ed e c o m p o s i t i o np e r i o d ，sw a sa l s of o u n di nt h er e a c t o r 4 ) t h ei n f l u e n c e so fi n p u tv o l t a g e ，i n i t i a lc o n c e n t r a t i o na n dr e s i d e n tt i m ef o r d e c o m p o s i t i o no fh 2 sa n dn h 3w i t ht h ec o m b i n a t i o no fp u l s ed i s c h a r g ep l a s m aa n d a c fw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fh 2 s n h 3 w e r ei m p r o v e df r o m8 8 a n d4 0 t o1 0 0 ，t h e0 3y i e l dw a sd e c r e a s e df r o m 11 0 p p m ，1 0 8 p p mt oa l m o s tz e r o t h ei n c r e a s i n gi n i t i a lc o n c e n t r a t i o na n ds h o r t i n g r e s i d e n tt i m ec a nb o t hr e s u l ti nm o r eq u i c k l yb r o k e nt h r o u g ho ft h ea c et h e i n f l u e n c ew a sm o r eo b v i o u s l yt ot h eh 2 sd e c o m p o s i t i o n 5 ) t h eb y p r o d u c t sw e r ea n a l y s e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ( b l a n ko rn o t ，谢m p l a s m ao ra c f ) b a s e do nt h ep r o d u c ta n dl i t e r a t u r ea n a l y s e ，t h ed e c o m p o s i t i o n m e c h a n i s m so f h 2 sa n dn h 3w e r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：p u l s ed i s c h a r g ep l a s m a ；a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r ( a c f ) ；o d o r s ；w i r e - p l a t e r e a c t o r ；d e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 士磊 签字目期： 印p g 年占月 牙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鋈盘堂有共保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 俣密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 主磊 导师签名：易垂 签字日期：州年# 月8 目签字目期：2 0 。6 年6 月t o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：串华人民蓑韧固土匈勾拳局 通讯地址：上勾彦霸王口区回早路胛口号 电话：以卜钌钐，7 f 邮编：) o o o e b 浙江支母啊士季位奄文摹一幸琦奄 第一章绪论 目前，恶臭污染对人类生活的影响日益加剧，随着社会经济的不断发展，人 们对于生活环境质量的要求进一步提高，对人体健康有影响的环境恶臭问题正逐 渐引起关注和重视，而恶臭物质的治理闯题就成为一项重要的任务。 恶臭污染物是指一切刺激嗅觉器官及损害周围环境的气体物质。它不仅仅给 人带来嗅觉上的不适，而且短期作用会使人们恶心、呕吐、心情烦躁；长期作用 更是会引起人们厌食、失眠、记忆力下降、心血管疾病等【1 。 恶臭散发源分布广泛，大部分源于人为源，如化工厂、农药厂、橡胶厂、炼 油厂、污水处理厂、垃圾转运站、养猪场、排水泵站、食品加工厂等。尤其是近 十几年来，随着城市规模的扩大，兴建了许多中小规模的污水处理厂和排水泵站， 这些市政设施中的相当一部分建于人1 3 密集的住宅小区和商业区，严重影响人们 的生活环境质量。另外，还有少量恶臭由自然发生源贡献，如动植物分解、停滞 的污水，及沼泽水的腐败等，它们向空气中散发出硫化氢及氨类等恶臭物质【“。 近年来，恶臭废气引起的各类纠纷和上诉事件日益增多，甚至导致工厂被迫 停产，造成严重的经济损失和社会不良影响1 3 】。由于恶臭是一种感觉公害，对人 体感官和健康都造成影响，因而国外一些国家较早就开展了这方面的研究，对恶 臭实行专项立法。日本等国早在7 0 年代就颁布了恶臭防治法规并开展了大量的 研究工作。我国虽于1 9 9 3 年颁布了恶臭污染物排放标准( g b l 4 5 5 4 1 9 9 3 ) ， 但具体的解决情况仍然存在一定的问题。现在恶臭污染已被许多国家认定为仅次 于噪声的七大公害之一1 4 j 。因此，对恶臭气体治理方面的研究以及该技术的及早 投入生产应用具有重大的现实意义。 一般环境中的恶臭物质分为三类：l 、含硫酸性化合物，主要为硫化氢、硫 醇和硫醚；2 、含氮碱性化合物，主要为氨、三甲胺、尿素、烟碱；3 、以不饱和 脂肪酸及其氧化物和烃类为代表的中性化合物 5 】。 恶臭污染作为一种感觉公害，通过特征发臭基团( 如硫基、羟基等) 刺激嗅 觉细胞，使人感觉不愉快和厌恶【6 j 。它具备以下特点：l 、污染源分布广泛；2 、 恶臭气体成分较复杂，往往是含多种恶臭物质的复合物；3 、恶臭物质浓度一般 较低，嗅域值往往低至p p b 级，其监测、分析难度很大；4 、由于处理后浓度要 求更低，因此其治理难度也较一般的大气污染大。 传统处理恶臭气体通常采用物理、化学方法，主要有热力或催化燃烧、溶液 渐扯大季曩士季隹培文第一幸斗论 吸收、固体吸附、生物脱臭等【7 1 。其中，催化燃烧法净化效率较高、工艺简单， 但能耗高，浓度变化大时适应性差；吸附法和吸收法的应用也较为普遍，但存在 吸收液或吸附剂的容量有限，二次污染后再生和后处理过程复杂等；相对比较热 门的生物脱臭法在国外应用于城市生活污水处理逸出的臭气取得较好效果，但面 临占地面积大，受负荷变化影响大，微生物菌种筛选和驯化难度仍然比较大等问 题。因此，经济、高效的治理低浓度、大流量的恶臭废气，除改进传统技术外， 尚需开发新的技术。 本研究小组于1 9 9 3 年起在国内率先开展了脉冲放电等离子体治理v o c s 方 面研究，已做了较多基础实验工作，考察了影响去除率的主要因素、与催化剂相 结合的协同效应、脉冲电源与交流电源的比较、反应器的评价、电源及反应器的 优化、混合恶臭体系的去除情况研究、反应器串并联模式等，表明该技术能够有 效的治理低浓度v o c s ，并将其初步应用于恶臭污染的治理，相对其他处理技术 而言去除效果比较理想，所需设备少，工艺简单，能耗较少，而且二次污染比较 轻，受负荷变化影响小。因此，该技术在治理恶臭气体方面有广泛的应用前景。 本论文在前期实验的基础上，为了进一步提高恶臭污染物的脱除效率，降低 能耗和副产物生成，在脉冲等离子体反应器后增加填充活性炭纤维的后续处理反 应器，对恶臭污染物中的代表性污染物如乙硫醇( c 2 h 5 s h ) 、硫化氢、氨气等进 行了较为系统的实验研究。希望通过本课题研究，确定适当的放电参数和工艺参 数，对现有系统进行进一步优化，初步探讨活性炭纤维层和等离子体协同作用的 降解反应条件，以取得较高的治理效果和较低的能耗，并解决这一过程技术的量 化设计和放大问题。 浙江太季嘎士季隹岳文 摹二幸文r 培连 第二章文献综述 2 1 恶臭气体的产生及其危害 恶臭污染是指能引起人们嗅觉器官各种臭感的物质对环境的污染。恶臭作为 七种典型公害之一( 大气污染、水质行染、土壤污染、噪声、振动、土地下沉、 恶臭) ，极大的危害着人们的身体健康和生活的安宁舒适。迄今为止，凭人体嗅 觉可感知的恶臭物质就有4 0 0 0 多种【8 1 。它们一般在大气中扩散，有些会随废水、 废渣排入水体，不仅使水发生恶臭味，还会使鱼类等水生生物发出恶臭而不能食 用。 恶臭是指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害生活环境的气体物质。能 引起恶臭的污染物很多：含硫化合物有硫化氢、甲硫醇、乙硫醇、甲硫醚、乙硫 醚。含氧化合物的醛类物质中有甲醛、乙醛、丙稀醛、丙醛，醇类合甲醇、乙醇、 异丁醇：酚类有邻甲酚、对甲酚、间甲酚；酮类有丙酮、丁酮、甲基异丁基甲酮； 脂类有醋酸甲酯、醋酸乙酯、丙稀酸甲酯、丙稀酸乙酯、甲基丙稀酸甲酯；氨类 有氨、甲胺、三甲胺、二甲胺、二乙胺；芳香烃类有甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、 对二甲苯、苯乙烯等归j 。 不同企业排放的恶臭物质是不同的，大部分企业同时排放多种臭气物质。养 牛、养猪、养鸡等饲养业由于动物的粪便和尸体的腐败而产生硫化氢、甲硫醇、 三甲胺、氨等臭气物质。水产加工厂的臭气主要成分是硫化氢和甲胺。石油加工 业的臭气主要成分是硫化氢、硫酸和烃类物质。造纸厂排放臭气的主要成分是硫 化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫及烃类物质。油漆厂、印刷厂、涂料厂、粘结 剂厂产生的臭气的主要成分是烃类、酮类、醛类、醇类和酯类物质。屠宰厂臭气 的主要成分是硫化氢、甲硫醇、氨。粪便处理厂臭气的主要成分是硫化氢、甲硫 醇、甲硫醚、氨等 9 1 。只有了解了不同企业排放的臭气物质的主要成分，才能有 的放矢的对企业产生的臭气进行分析和评价，以便于寻找解决的方法。 臭气，尤其是恶臭气体对人体的危害不客忽视。其对生理机能的危害主要表 现在对呼吸系统、循环系统、消化系统及生殖系统的影响。当臭气浓度达到一定 程度时，能引起呼吸次数增加。随着臭气浓度的增加，呼吸次数和呼吸深度减低， 严重时会完全停止呼吸州。 人对臭味总是很敏感的，对于某些气体甚至十亿分之一的浓度也能被人体感 知。所以只要有微量的恶臭物质进入环境，就会使人感到不适，出现头痛、头昏、 斟江大季嘎士学社替文摹二幸文冀酋连 恶心、呕吐、食欲不振、精神不集中，并影响睡眠，甚至影响人们的正常生活。 为此经常发生污染指控事件，甚至发生纠纷。引起污染指控案件较多的企业有较 大规模的饲养业、鱼骨处理厂、水产品加工厂、屠宰厂或肉食加工厂、石油化工 厂、塑料厂、橡胶厂、制药厂、农药厂、化肥厂、油漆厂、皮革厂等【9 1 。 2 2 恶臭气体治理的技术现状 恶臭气体治理技术的发展经历了一个长期的过程，即从最初的水洗法逐步发 展到今天的微生物法、活性炭吸附法等。恶臭物质的处理通常采用以下几种方法： 物理法( 掩避法，稀释扩散法等) ，化学法( 氧化法、吸收法，吸附法) 包括燃 烧法( 热力燃烧，催化燃烧) ，生物法( 土壤法，堆肥法) ，及联合法。其主要治 理技术原理、特点见表2 1 【l o 】。 表2 1 常见恶臭气体处理技术一览表 浙江大季巧士学隹奄文摹二章文t 培连 一 1 、对醇类、脂肪酸类及其它易溶于水的物质 ： 效果明显 = 用活性炭的吸附特性去除臭气2 、负荷变化影响小，管理方便 = 成分。3 、工艺成熟净化效率9 5 以上 ： 4 、气体需要预处理，否则易堵塞，多次再生 不经济 除了以上常用方法，针对纳米光催化法也有一定研究，该法基于在紫外线的 照射下，以纳米二氧化钛为代表的光催化剂可在常温常压下使多种有害有味气体 分解成无害无味物质，而光催化剂材料本身在反应过程中并不消耗的原理【l ”，但 是目前仍在研究阶段，开发应用还存在比较大的距离。 本论文所讨论的高压脉冲放电等离子体治理恶臭气体技术基于在脉冲高压 下产生等离子体，其中的高能电子和o 、o h 等活性粒子轰击恶臭气体分子，对 其进行降解、氧化反应，从而将污染物转化为其它物质，达到脱臭的目的，该法 相比较其他的现有恶臭处理技术，去除效果比较理想，造成的二次污染小，设备 少，工艺简单，易于操作管理，有望得到应用推广。 2 3 低温等离子体技术研究概况 2 3 1 低温等离子体技术概述 二十世纪六十年代形成的等离子体化学是涉及高能物理、放电物理、放电化 学、反应工程学、高压脉冲技术等领域的- - f q 交叉学科【1 2 1 。八十年代后，将等 离子体用于处理各类污染物成为国内外研究热点之一。与其他污染治理技术相 比，该法具有处理流程短、去除率高、能耗低、适用范围广等特点。 低温等离子体被普遍认为是物质存在的第4 种状态，又称为非热力学平衡状 态等离子体，由大量正负带电粒子和中性粒子组成，其中电子温度( t e ) 离子 温度( t j ) ，电子温度可达1 0 4k 以上，而其离子和中性粒子的温度却可低至3 0 0 - - 5 0 0 k 1 1 3 】。低温等离子体主要由气体放电产生，放电方式可以分为：辉光放电、 电晕放电、介质阻挡放电、射频放电及微波放电等。而在常压下产生低温等离子 体的只有电晕放电和介质阻挡放电两种形式i l ”。 2 3 2 电子束照射法 电子束法( e b ) 烟气治理技术的研究工作始于2 0 世纪7 0 年代初期。1 9 7 0 年， k a w a r a u r a 等人利用一台6m v 的电子直线加速器，对重油燃烧后产生的烟气进行 浙江大季乓士季往岳文摹二幸文奠培连 电子束辐照【j 。1 9 7 8 年，日本钢铁公 司建立了第一个中型规模的实验装 置，处理能力为1 0 0 0 0m s h 。在美国 能源部的资助下，荏原公司进一步开 发这一项技术，目前已建立了一批示 范点，其中包括我国四川省成都热电 厂的电子束烟气脱硫示范装置【”。当 前电子束法主要应用于烟气脱硫脱 硝，由于其良好的适应性，欧美等国 图2 1 电子束等离子体反应器 家正逐步转向利用电子束法进行脱除 v o c s 的研究。p e n e t r a n t e 等用电子束法对多种有机废气进行了实验研究，结果表 明该法具有高效性，对包括氯烃、氟氯烃在内的许多有机物都有较好的降解作用 1 8 1 。电子束等离子体反应器的结构示意图如图1 2 所示。 电子束照射法降解v o c s 的原理是利用电子加速器( 电子枪) 产生高速的电子 束，由于电子具有1 0 5 1 0 6e v 的高能量，在其作用下v o c s 废气中的分子受到激发 以及原子间键的断裂，形成小碎片基团和原子。电场激发的各种活性粒子与有机 物分子和小碎片基团发生一系列的自由基反应，最终把有机物降解为c 0 2 、c o 和h 2 0 ，从而达到治理的目的。 虽然电子束法具有很好的降解效果，但它也存在着些缺陷 1 9 - 2 0 】：产生x 射线，工业应用时必须建有混凝土防辐射工程，装置不能移动；窗口需用压缩 空气冷却，电子线照射产生臭氧，对装置有腐蚀，对周围环境也有害：由于电 子束法产生的高能电子对于烟气中任何气体分子均可破坏其化学键，使烟气分子 电离产生离子，因而烟气中含量最高的氮气和二氧化碳等气体分子将被分解和电 离，浪费了能量；电子枪价格昂贵，电子枪及靶窗的寿命短，设备结构复杂。 上述原因限制了电子束法的应用。 2 3 3 介质阻挡放电 介质阻挡放电是产生常温非平衡等离子体较理想的方法，也是最早得到应用 的放电方法之一，其基本原理是：在常温常压下，等离子体反应器的两极中至少 一个电极上面覆盖一层阻挡介电质，在两极上加频率在几十h z n 几m h z 间的交 流高压，在阻挡介质表面产生微放电，在这些微放电中产生非平衡等离子体，可 进一步与废气发生氧化反应，达到净化的目的。根据电极的结构可将介质阻挡放 a t 扭大季乓士辱位培文 革二幸文t 培连 电分为：无声放电型、沿面放电型、充填 型，如图2 2 示意。 无声放电反应器中( 图2 2 的a ，b ，c ) ， 电介质层将两电极隔开，介质可以覆盖在 电极上或放置于电极之间，在两电极间加 上足够高的交流电压时，电极间隙的气体 就会击穿，形成大量微细的快脉冲放电通 1 高压极2 接地极3 阻挡介质 图2 2 介质阻挡放电反应器 ( 曲，c ) 无声放电型；( d ) 沿面放电型； r e l 球状颗粒物填充型 道，电介质在放电过程中起到储能作用，使放电稳定并产生延时极短的脉冲，同 时能抑制火花放电的产生【2 l j ；沿面放电技术是由m a s u d a 等提出，这种放电结构 如图2 2 的( d ) 所示。反应器的主体为结构致密的陶瓷( 陶瓷管或陶瓷板) ，在 陶瓷的内部埋有金属作为接地极，陶瓷的侧面上布置导电条作为高压电极，另 - n 作为反应器的散热面。在中、高频作用下，放电从放电极沿陶瓷表面延伸， 在陶瓷表面形成许多细微放电【2 2 1 ；填充型反应器中( 图2 2 的e ) ，所填充的绝缘 介质颗粒介电常数较高，一般在1 0 0 0 以上，较典型的填充介质有b a t i 0 3 和a 1 2 0 3 ， 当交流高压加在反应器的两极时，绝缘介质颗粒即开始极化，在颗粒的接触点周 围便产生强磁场，强磁场导致微放电口3 1 。三种类型反应器内的微放电即产生了 非平衡等离子体。 e v a n s l 2 4 利用无声放电反应器对含有三氯乙烯的气体进行了处理，去除率达 到8 0 ，能耗为1 3 8w h m 3 。复旦大学利用无声放电反应器降解v o c s ，对低浓 度苯、甲苯的降解率均达到了8 0 d a 上t 2 5 1 。在双介质层的无声放电反应器中， 由于电极不直接与放电气体发生接触，从而避免了电极因参与反应而发生的腐蚀 问题，又因为具有电子密度高和可在常压下运行的特点，所以在v o c s 的治理 中有其一定的优势。但是它在放电中有2 0 左右的电能转化为热能，这对废气治 理是不经济的1 2 0 1 。 o d a 等采用沿面放电技术对甲苯、丙酮、氟氯烃等有机废气的处理结果表明， 其处理效果较好，适合于氟氯烃等难降解的有机物治理鲫。但是与其它放电方 式相比，沿面放电的能耗较大。放电过程中，发热也比较严重，常需在反应器的 渐讧太季嘎士季柱论文羊二幸文冀琦连 外部强制冷却，能量利用率不高；另外，沿面放电反应器内的非平衡等离子体区 域小，不宜于工业应用。 y a m a m o t o 等采用填充式反应器对低浓度有机废气处理，对甲苯、二氯甲烷 的最大去除率均能达到8 0 以上f 2 8 l 。但这种结构的反应器能耗高、气体阻力大， 不易放大。 2 3 4 电晕放电 在均匀电场中，一旦其中的某处气体开始电离后，放电电离通道会迅速地延 伸于整个电极间隙；而对于非均匀电场，虽在高场强区的气体已经出现许多局部 的电离，但在场强较弱处却仍保持其基态，电极间并未击穿，这一现象称之为电 晕放电口9 】。 。电晕放电可在大气压或接近大气压的情况下发生，电极的几何形状对电晕放 电起重要作用，不对称电极导致电场的不均匀分布，使电离过程局限于曲率半径 较小的电极附近，并伴有发光现象，该区称作电晕区。在这个区域之外，由于电 场较弱，不易发生电离现象，电流的传导依靠离子的迁移运动，这个区域称非电 晕区。流注放电是电晕放电的基本形式，其形貌表现为曲折分叉的断续性丝状光 束。其通常发生强电场中曲率半径较小的电极周围：如电晕线( 针) 或有尖锐棱 角的电极上。因为电晕放电较易产生，所以应用广泛。 电晕放电过程具有两个特点：一方面作为离子产生源；另一方面作为高能电 子的产生源。作为离子源时，产生的离子极性由电极的极性和放电空间的气体特 性决定；作为高能电子的产生源时，电子的能量是由产生电晕放电的方法和放电 空间的气体特性决定。通常利用产生的离子时，由电晕放电诱发的低温等离子体 区域较小，而利用电子的过程具有较大的等离子体空间。作为离子源的主要应用 有：静电除尘、印刷等。作为高能电子的产生源主要应用在臭氧发生、脱硫脱硝、 其它毒害气体的控制等方面 2 9 1 。 电晕放电技术在有机及恶臭废气控制方面，可根据电晕产生的方式分为：直 流电晕、脉冲电晕。直流电晕中包括：无喷射管型和自由基喷淋系统两个方面。 2 3 5 脉冲放电技术概述 脉冲放电法去除气体有机物的基本原理是通过陡前沿、窄脉宽( 纳秒级) 的 高压脉冲放电，在常温常压下获得非平衡等离子体，其中的高能电子和0 、o h 斯江太季乓士季位蠢支摹二章文冀辟连 等活性粒子与有机物进行降解、氧化反应，使污染物转变为无害物【3 0 】。 国内外近年来对该技术的初步研究表明，该技术对有机废气的降解能达到较 好去除效果。1 9 8 8 年以来，美国环保局进行了挥发性有机物和有毒气体低温等 离子体( 电晕) 破坏的研究，他们模拟了表面反应器进行分子形式的电晕破坏， 达到分解有毒、有机化合物的目的，开发一种低成本低费用低浓度污染物流的控 制技术 3 ”。而我国关于该技术的研究也逐渐发展起来，浙江大学从1 9 9 3 年起在国 内率先开展了等离子体治理有机废气的研究，在前期实验的基础上，本课题组对 反应器进行放大，进一步研究反应器与电源匹配问题，同时积极开展了相关体系 以及与活性炭纤维吸附协同处理方面的研究，目前研究已经进入进一步放大实验 阶段。针对目前比较突出待解决的恶臭气体问题，我们积极展开了该技术在恶臭 气体治理方面的研究工作。实验证明该技术在对恶臭气体的处理上效果比较明 显，有望直接应用于生产。 2 4 低温等离子体治理有害气体研究进展 低温等离子体法作为一种很有应用前景的新的控制技术，在环境保护方面有 着其独到的优点。该法在废气、废水和废渣治理方面都有研究报道，目前在关于 有害气体治理方面的研究比较多，充分显示了其绿色技术的一面。 目前研究方面： 烟气脱硫脱硝主要有电晕放电法、脉冲放电法、无声放电法、部分放电 法、表面放电法、重迭放电法等，上述各种放电形式互有长短，也各有其应用目 的，目前尚处于实验研究阶段。低温等离子体烟气处理技术是项正在发展中的新 兴技术，要能走向实际应用，首要的课题是必须提高其n o x 脱除效率。就应用 于发电设备脱硝而言，其能耗应控制在发电电力的3 以下，这是企业所能承受 的经济上的指标。详言之n o x 脱除效率，对柴油发电设备应为8 0g k w h ，对火 力发电设备应为2 5g k w h ，对蒸汽轮机应为1 0g k w h 。而且低温等离子体处理 烟气，n o x 脱除率随气体温度上升而下降，实用中处理气体温度宜控制在10 0 以下【”1 。 低温等离子体从本质上而言是低能耗的，因此必须开发出高效率、大容量的 低温等离子体烟气处理反应器。在烟气处理技术中，低温等离子体法与目前工业 上使用着的催化还原法相比，具有能耗低、成本低、装置小型化等优点，必将成 为工业上更新换代的大气污染物质处理法。 处理温室气体在该方面问题的研究中，鞍山静电技术研究院应用超高压 新扭土学焉士季位岳文 摹二幸文蚨培连 脉冲电晕放电产生的高能量( 2 0 一5 0e v ) 非平衡等离子体作用于c 0 2 气体分子，使 c 0 2 分子化学键断裂，在定向化学反应作用下，将c 0 2 气体分解成o ：