【word】 等离子体除臭技术及其应用.doc

等离子体除臭技术及其应用=二专题研究lzhuantiyanjiu等离子傩除星技市及其应用罗一凡郁昂/厦门大学海洋与环境学院近海海洋环境科学国家重点实验室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.本文介绍了恶臭污染的分类和来源,传统的除臭方法以及这些方法存在的电源制备复杂,电极易腐蚀,能耗高,效率低,无法有效处理低浓度,大气量污染物等缺点,并对电子束照射法,介质阻挡放电,电晕放电,微波放电等离子体技术治理恶臭污染的研究进展做了阐述,同时指出了利用等离子体治理恶臭污染存在的主要问题及微波等离子体技术必将成为今后等离子体技术的主要发展方向,应用前景十分广阔.关键词恶臭污染微波等离子体废气治理0.引言随着人们生活水准的提高,公众对提高环境质量的要求也日益增强,人们对大气环境质量提出了更高的要求,对因恶臭(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)所带来的污染也更加敏感,恶臭污染已成为当前我国城镇居民投诉最强烈的环境问题之一.恶臭是一种感觉公害,既污染环境,又危害人类健康.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一21(大气污染,水质污染,土壤污染,噪声,振动,土地下沉,恶臭).1.恶臭气体的组成及危害恶臭污染的来源十分广泛,如化_t厂,农药厂,橡胶厂,炼油厂,造纸厂,污水处理厂,垃圾场等.恶臭气体从其组成可分为五类一是含硫化合物,如硫化氢,硫醇类,硫醚类等;二是含氮的化合物,如氨,胺类,酰胺,吲哚类等;三是卤素及其衍生物,如氯气,卤代烃等;四是烃类,如烷烃,烯烃,炔烃,芳香烃等;五是含氧的有机物,如酚,醇,醛,酮,有机酸等.恶臭污染对人体的危害不容忽视.其对人体的危害主要体现在:它不仅危害人体的呼吸,循环,消化,内分泌系统,甚至还会危及到人的神经系统,对人的精神产生不良影响网.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,h5现头痛,头昏,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.2.恶臭气体治理现状表2.1常见的脱臭方法概况脱臭方原理适用恶臭物质法水洗法将恶臭气体溶于水中易溶于水的臭气,如脂肪酸,胺类将可燃性恶臭气体燃烧燃烧法适用于所有恶臭气体分解将含有水蒸汽的恶臭气含有大量水蒸气的高冷却法温排气,如易溶于水体冷却溶解于凝结水中的脂肪酸等吸附法恶臭气体用活性炭,硅脂肪酸,胺类及其他胶,白土等吸附易溶于水的臭气空气稀恶臭气体用大量的空气适用于所有的臭气释法稀释,降低臭气强度酸碱吸酸性气体用naoh或脂肪酸,胺类及其他ca(oh)2水溶液吸收;收法易溶于水的臭气碱性气体用稀硫酸吸收臭氧氧利用臭氧的强氧化作用不饱和有机化合物,化法氧化分解硫化氢,硫醇类,醛类等生物膜恶臭气体通过滤层由细法菌分解大部分恶臭气体恶臭气体治理技术的发展经历了一个长期的过程,目前常用的恶臭治理方法大体可以分为物理法,化学法和生物法,主要有水洗法,热力或催化燃烧法,液体吸收法,固体吸附法,生物脱臭法等h,见表2.1.一般根据恶臭物质的性质,来源,浓度,处理量等因素来选用处理方法.通过上面表格可以看出,这些方法在经济上或技术上存在一定的局限性,均存在运行费用高,二次污染,处理效果不佳等缺陷,尤其是对于低浓度,大流量且治理后浓度要求更低的恶臭废气的处理而育,显得力不从心.因此,在改进传统技术的同时,开发经济有效的治理新技术已迫在眉睫.相比之下,等离子技术作为一种高效率,低能耗,使用范围广,处理量大,操作简单的环保处理新技术,已成为近年来研究的热点,应用范围不断拓宽.该技术是20世纪6o年代形成的基于高能物理,放电物理,放电化学,反应工程学,高压脉冲技术领域的一门交叉科学】.与其他污染治理技术相比,等离子体法具有处理流程短,能耗低,运行效率高,适用范围广,二次污染少等特点,尤其适合于处理低浓度,大气量气态污染物,其作为一项新兴的废气治理技术已引起了人们越来越多的关注.如上海万强科技开发有限公司,上海同远环境科技有限公司,清华同方,大连海事大学,大连理lt大学等均在等离子体技术应用废气治理方面取得了一定的成效.3.非平衡等离子体治理恶臭气体研究现状3.i等离子体概述高温等离于体撇光聚变电弧放电j直流电体被称作除固态,液态和气态之外的第4种物质存在形态,是由电子,离子,自由基和中性粒子组成的导电性流体,整体保持电中性.按粒子的温度,等离子体可分为热平衡等离子体或热等离子体(thermalplasma)和非平衡等离子体或低温等离子体(coldplasma).等离子体分类见图3.1【.在热平衡等离子体中,电子与其他粒子的温度相等,即达到热平衡,一般在5000k以上;在非平衡等离子体中,电子的运动温度一般高达数万k,而其他粒子和整个系统的温度只有300500k,故电子与其他粒子为非平衡态.非平衡等离子体较平衡等离子体易于产生,在环保领域有着广泛的应用前景.非平衡等离子体产生的方式很多,常见的有电子束照射法和气体放电法,后者可进一步分为介质阻挡放电,直流电晕,脉冲电晕等【.3.2等离子体除臭机理等离子体去除恶臭是通过两个途径实现的:一个是在高能86科学时代?2011年第o9期电子的瞬时高能量作用下,打开某些有害气体分子的化学键,使其直接分解成单质原子或无害分子;另一个是在大量高能电子,离子,激发态粒子和氧自由基,氢氧自由基f自由基因带有不成对电子而只有很强的活性)等作用下的氧化分解成无害产物.前者主要是利用等离子体中的大量正负离子复合过程所释放出的高热量来进行,具有高温优势,与燃烧理论基本相似,多用于有热量需要的固体污染物热解,气化,融熔等过程;后者常用于处理气,液污染物.主要有下面几个过程:1)在高能电子作用下,强氧化性自由基o,oh,ho,的产生.2)有机物分子受到高能电子碰撞被激发,及原子键断裂形成小碎片基团和原子;3)o,oh,ho,:与激发原子,有机物分子,破碎的基团,其他自由基等发生一系列反应,有机物分子最终被氧化降解为co,co,h0.去除率的高低与电子能量和有机物分子结合键能的大小有关.3-3等离子体技术应用发展现状3.3.1电子束照射法电子束法由于其良好的适应性,欧美等国家正逐步利用其进行脱除voc的研究.电子束照射法降解vocs的原理是利用电子加速器(电子枪)产生高速的电子束,电子具有105106ev的高能量,在其作用下vocs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co,co和ho,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p】: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.3_3.2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.其基本原理是:通过非均匀电场发生的介质阻挡放电所产生电晕等离子体,是包括气相污染粒子在内的多组分相互作用粒子的集合体.由于在产生电离的同时也发生去离过程(带电粒子的扩散和带电离子的复合,附着效应),所以放电两极间施加电压,电极间原有的电子在自由行程期间从电场中获得能量而受到加速,不断地与中性分子碰撞电离,电子数量成倍增加,形成电子崩.高速电子的能量以非弹性碰撞的形式转移给气体分子,通过转动激励和振动激励使放电通路加热,高温电子,离子,中性分子以及原子之间由不平衡发展到热平衡状态,形成非平衡等离子体0”】.根据电极的结构可将介质阻挡放电分为:无声放电型,沿面放电型,充填型.与其他技术相比,介质阻挡放电特有的优点是:高气压放电;高能电子寿命极短,电流密度大;电子平均能量和电子密度受外部参数影响,在放电中可控制一些参数使细微通道放电最优化121o3.3-3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己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【13l0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.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4.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.33.4微波放电微波放电是将微波能量转换为气体分子的内能,使之激发,电离以产生等离子体的一种气体放电方式.微波放电是电磁控制管产生的微波经波导管和微波窗进入放电室,当放电室内的磁场强度使得电子的回旋频率和输入的微波频率相当等时,微波使电子运动加速,促发等离子体.微波放电与一般直流辉光放电或低频放电相比具有很大的优势:1)具有更高的电离度和更强的化学活性,对气体的电离和离解程度比其他类型的等离子体(如电弧等离子体)可高l0倍以上,因此微波等离子体更能增加气体分子的激发,电离和离解过程,激发的亚稳态活性粒子多,反应性强,更适合对一些难降解的污染物进行处理【】;2)是一种无极放电,不需要金属电极,可以免除因电极在放电区域存在而带来的电极材料污染,限制使用寿命等一系列问题;3)利用微波电磁场的分布特点,即所谓的”空洞结构”,有可能把等离子体封闭在特定的空间,也可以利用磁场来输送等离子体.这样就可以让上艺加工区域与放电空间分离,既便于采取各种相宜的工艺措施,又能避免等离子体的辐射损伤或者消除可能产生的副反应;4)微波等离子体中自由电子的温度高于离子的温度,其中的化学反应具有更高的反应平衡常数,反应效率高;5)微波等离子体,在许多情况下是一种比较宁静的等离子体,不象直流放电那样伴随很高的噪声级.3.35等离子体催化将等离子体与催化相结合最近几年成为热点.其主要目的:一方面提高vocs去除效率,另一方面降低能耗,减少有害副产物的产生.综合看来,低温等离子体和催化协同作用处理废气的原理如下:等离子体空间富集了大量极活泼的高活性物种,如离子,电子,激发态的原子,分子及自由基等.这些高活性物种在普通的热化学反应中不易得到,但在等离子体中可源源不断地产生.这些活性物种(特别是高能电子)含有巨大的能量,可以引发位于等离子体附近的催化剂,并可降低反应的活化能.同时,催化剂还可选择性地促进等离子体产生的副产物反应,得到无污染的物质.3-3.6等离子体吸附当有机物含氯,溴等元素时,在放电等离子体处理vocs的过程中会产生有害的副产物,造成二次污染,这时候需与吸收或吸附技术相结合.在放电等离子体空间填充固体吸附剂,最直接的优势是可以在不增大反应器尺寸的前提下,增加vocs在反应区的停留时间,从而提高降解率;吸附作用能够造成vocs的相对富集,放电能量的有效利用率可望大大提高1610若以吸附装置作为放电反应器的后处理装置,不但可以降低吸附剂的吸附负荷,延长饱和周期,还可以去除放电过程产生的二次污染物质,改善分布式联合装置最终的排气品质i710-4.存在问题及发展方向目前,用等离子体技术治恶臭气体主要存在的问题有:气体流量较大时,转化率不高(恶臭气体的嗅觉阂值很低);能耗高;可能造成二次污染(如so,no,co等);等离子体去除恶臭气体的作用机理有待深入地研究.由于这些问题的存在,使等离子体技术治理恶臭气体在lt业上的应用受到限制.今后应加强以下几方面的研究:1)高效化,经济化,无害化.通过寻找较为合适的_t艺参数和电参数,实现恶臭废气的有效处理,降低能耗;深入进行产物分析,降解机理研究,探索避免二次污染产生的途径;此外,适时做好复合技术的研究,开发和应用工作.科学时代?2011年第o9期87=娶=专题研究izhuantiyanjiu电号设备状态维修及薪技市响应用王攀/泸州职业技术学院电子工程系摘要状态维修技术包含以可靠性为中心的检修技术和预测检修技术.如何采取合理的检修策略和制订正确的检修计划,保证在不降低可靠性的前提下节省检修费用,成为电力部门面临的重要课题.过去常用的计划检修和以它为基础根据经验决定延长或缩短检修周期的做法已不能满足需要,必须采用新技术.关键词状态维修新技术预测检修l前言电力系统是世界上最大的”瞬间动态平衡系统”.因为发电,变电,输电和用电是同时发生的,基本没有存储环节.故发电,输电和用电过程构成了电力系统不可分割的整体,任何环节发生故障都有可能引起链式反应,导致整个系统的崩溃.据资料分析的停电原因电电气设备故网管理源外部象城市检修障结不善不因素影构足响上海45.3i39.170.062.120.o0lo.782.56太原16.7664.711.633.04o.5310_313.o2长春14.6669.260.401.82o.o08.025.84杭州18.4467.182.974.820.0o5.341.25广州28.6950.960.0o19.450.00o.o0o.90由此可见,电网事故的直接起因是设备的故障及维修.虽然设备的质量和可靠性主要取决于设计和制造阶段,但为了保证设备的正常运行,在很大程度上也需要借助于投运后的维护工作,即在运行过程巾通过对设备进行必要的巡视检查,监测和试验,建立完善的维修汁划,以减少事故的发生,提高运行可靠性.电力系统维修方式有:1.事后修理(或故障维修).即设备坏了再修,没有维修工作计划,供电可靠性很低,无法满足系统对运行稳定性的需求.2.定期检修(或预防性维修).即现行维修体制,有预防性试验,大修和小修.但定期维修又有种种弊端:(1)维修周期频繁;(2)预防性试验项目过多;(3)经济性差;(4)增大不安全因素;(5)过度维修;(6)维修不足;(7)预防性试验条件与实际运行工况不同.3.状态维修(或预知性维修).即发展中的维修体制(“治于未病”).2设备状态维修2.1状态维修的必要性状态维修即根据设备的实际情况来确定检修周期和检修内2)处理对象实际化.详细考察具有实际特征恶臭废气的降解特征,如进行混合恶臭物降解实验研究或进行现场实验,以便于早日实现t业化.3)规模化.在降低能耗(提高去除率)的基础上如何实现处理规模化,如需开发大功率的等离子电源,放大反应器等.4)此外,微波等离子体技术作为近年来新兴的等离子体技术,其克服了其他等离子体法如电源制备复杂,电极易腐蚀,能耗高,效率低,无法有效处理低浓度,大气量污染物等缺陷,今后必将成为等离子体技术的主要发展方向,应用前景十分广阔.参考文献:1gb14554-1993,恶臭污染物排放标准s】.2荆治严,恶臭与恶臭污染fj,环境污染治理技术与设备,1990,l1(4):1-11.【3j纪树满,恶臭污染的防治ljl,重庆环境科学,1999,21(2):27-28,41.4】吴忠标,实用环境t程手册一大气污染控sqy.程m,北京:化学丁业l叶i版社,2001:417.5】赵化侨,等离子体化学与丁艺m,合肥:中国科技大学j=i版社,1993.6】宋华,王保伟,许根慧,低温等离子体处理挥发性有机物的研究进展,化学工业与工程,2007,24(4):356361.71王承智,胡筱敏,石荣,祁国恕,李锐,等离子体技术应用于气相污染物治理综述ijj,环境污染与防治,2006,28(3):205209.8】atkinson.r,kineticsandmechanismsofthegasphasereactionsofthehydroxylradicalwithorganiccompoundsunderatmosphericconditionslj,chem.re.1985,69201.91hadidik,eta1.commercialpossibilitiesforthetunableelectronbeamplasmareactorforvolatileorganiccompoundtreatment.proceedingsoftheinternationalworkshoponplasmatechnologiesforpollutioncontrolandwastetreatment,beijing,1996:106170.10yankrm.evalua